1

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

KATEDRA TELEKOMUNIKACJI I APARATURY

ELEKTRONICZNEJ

PRACA DYPLOMOWA

MAGISTERSKA

TEMAT: Stanowisko do badania systemu bezprzewodowej transmisji sygnałów drogą optyczną.

WYKONAWCA: Piotr Czesław Bartczak

PODPIS:

PROMOTOR: Dr inŜ. Norbert Marcin Litwińczuk

BIAŁYSTOK 2010 ROK

2

3

SPIS TREŚCI

1. Wstęp ................................................................................................................... 4

2. Przegląd rozwiązań układów do transmisji sygnałów drogą optyczną ................... 9

2.1. Propagacja fal optycznych ............................................................................. 14

2.2. Struktura optycznego systemu transmisyjnego ............................................... 34

2.3. Modulacja i demodulacja sygnałów optycznych ............................................. 34

2.4. Rodzaje i zasięg łącz optycznych. .................................................................. 34

2.5. Promieniowanie podczerwieni a bezpieczeństwo oczu ................................... 33

2.6. Źródła nadawania sygnału w podczerwieni .................................................... 33

2.7. Fotodetektory ................................................................................................ 55

2.8. Standard IrDA ............................................................................................... 33

3. Opracowanie koncepcji stanowiska do badania systemu bezprzewodowej transmisji

sygnałów drogą optyczną ...................................................................................... 45

4. Projekt i wykonanie stanowiska ............................................................................ 60

5. Wnioski ................................................................................................................ 70

4

1. Wstęp

W przeciągu kilku ostatnich dekad nastąpiło niespotykane zapotrzebowanie na

technologie bezprzewodowe. Zarówno w przemyśle jak i w przypadku prywatnych

klientów moŜna zaobserwować wzrost zainteresowania urządzeniami, w których

wykorzystuje się transmisję informacji drogą bezprzewodową. W odniesieniu do

szerokiego zakresu ich zastosowań stają się one elementem codziennego uŜytku u coraz

większej liczby ludzi, a wszystkie te urządzenia są w coraz większym stopniu oparte na

technologiach, które pozwalają im pracować bez uŜycia medium w postaci przewodów.

Korzyści z technologii bezprzewodowych są nieograniczone i dopasowywane do

potrzeb i wygód uŜytkownika. Zmniejszenie kosztów sprzętu technologii

bezprzewodowych i czasu jego instalacji, dokonało przełom w procesie wymiany

informacji.

Podstawowym celem pracy było zaprojektowanie i wykonanie stanowiska

laboratoryjnego do badania systemu bezprzewodowej transmisji sygnałów drogą

optyczną. W tym wypadku wymiana informacji odbywała się w zakresie fal bliskiej

podczerwieni, gdyŜ takie rozwiązanie jest wykorzystywane na co dzień w kaŜdym

domu. Celem pracy było równieŜ ukazanie szerokich moŜliwości i ich sprawdzenie dla

tego pasma oraz przedstawienie wybranych rozwiązań technicznych wykorzystywanych

do bezprzewodowej transmisji danych.

W pierwszej części pracy przedstawiono podstawowe informacje dotyczące

struktury systemu przesyłania danych i teoretyczne podstawy bezprzewodowej

transmisji sygnałów. Opisane zostały wszystkie problemy związane z transmisją drogą

optyczną i rozwiązania ją polepszające. Następnie przedstawiono i opisano elementy

układu nadawczego i odbiorczego, podzielona je na grupy i porównano. W dalszej

części omówiono układy ułatwiające zaimplementowanie standardu IrDA. Omówiono

go oraz przedstawiono jego wady i zalety.

W kolejnym rozdziale zaprezentowano koncepcje, stanowiska laboratoryjnego

do bezprzewodowego przesyłu informacji drogą optyczną bezprzewodową.

Przedstawiono załoŜenia i projekt takiego stanowiska. Omówiono dobór elementów,

jakie zostały wykorzystane do jego budowy. Zaprezentowano wykonanie obwodów

drukowanych i wykonanie stanowiska laboratoryjnego.

Dalej umieszczono opis i wyniki badań jakie przeprowadzono w celu

sprawdzenia poprawności transmisji zaprojektowanego stanowiska laboratoryjnego.

5

Z tej części wywnioskować moŜna jakie rozwiązania powinny być uŜyte dla róŜnych

załoŜeń i potrzeb łącza optycznego.

W pracy zamieszczono najwaŜniejsze informacje, które powinny być pomocne

dla wszystkich, którzy chcieliby się bliŜej zainteresować tematyką związaną z

transmisją bezprzewodową.

6

2. Przegląd rozwiązań układów do transmisji sygnałów drogą optyczną

Wiadomości podstawowe

Sieci bezprzewodowej transmisji informacji róŜnią się tym od sieci

przewodowych, iŜ utworzenie kanału komunikacyjnego odbywa się bez pośrednictwa

medium, którym są przewody. Dzięki temu system ten jest bardziej mobilny i uwalnia

nas od zbędnych ograniczeń związanych z kablami. Medium transmisyjne określić

moŜna jako przestrzeń, w którym mogą rozchodzić się fale elektromagnetyczne, a fale

elektromagnetyczne to nośnik energii na bardzo dalekie bądź bliskie odległości. Fala

elektromagnetyczna ma charakter fali poprzecznej, w której składowa elektryczna i

magnetyczna są prostopadłe do siebie. Oba pola indukują się wzajemnie czyli przy

powstaniu pola elektrycznego towarzyszy mu powstanie pola magnetycznego w

prostopadłym kierunku prostopadły do niego i na odwrót.

Rys.2.1. Fala elektromagnetyczna [6]

Energia pola elektromagnetycznego znajduje się w stanie cyklicznej wymiany

energii pola magnetycznego na energię pola elektrycznego. Przy rozchodzeniu się fali

elektromagnetycznej następuje ciągła zamiana energii elektrycznej w magnetyczną i na

odwrót (Rys.2.1).

J.C. Maxwell wprowadził poj

przestrzeni, które tłumaczy istnienie fali elektromagnetycznej w powietrzu i rozchodzenie si

jej z prędkością światła. Poni

Rys.2.2

Długość fali λ jest ś

w ciągu sekundy wykonanych przez pole elektryczne lub magnetyczne.

J.C. Maxwell wprowadził pojęcie „prądu przesunięcia” występuj

przestrzeni, które tłumaczy istnienie fali elektromagnetycznej w powietrzu i rozchodzenie si

wiatła. PoniŜej na rys.2.2 przedstawiono podział fal elektromagnetyczny

.2. Podział fal elektromagnetycznych [5]

ściśle związana z częstotliwością f , która określa licz

gu sekundy wykonanych przez pole elektryczne lub magnetyczne.

cia” występującego w wolnej

przestrzeni, które tłumaczy istnienie fali elektromagnetycznej w powietrzu i rozchodzenie się

podział fal elektromagnetyczny[6].

f , która określa liczę drgań

8

ZaleŜność między długością fali propagującej λ [m] a częstotliwością określa się

wzorem: [6]

λ = c/f (2.1)

gdzie: c – prędkość światła.

Transmisja optyczna obejmuje przetwarzanie i przekazywanie na odległość

sygnałów świetlnych w zakresie widzialnym, podczerwieni a nawet ultrafioletu. W

pracy skupiono się na bliskiej podczerwieni, której długości fali są w okolicach

0,75-5 µm, czyli o częstotliwościach od 400 do 60 THz.

2.2. Propagacja fal optycznych

Fale z zakresu podczerwieni

Fale elektromotoryczne w wolnej przestrzeni rozchodzą się z prędkością światła

po liniach prostych. Natomiast w ośrodkach materialnych fale ulegają róŜnym

zjawiskom, spowodowanym oddziaływaniem z materią. Fale z zakresu podczerwieni

ulegają podobnym zjawiskom jak światło widzialne i dość istotnie róŜnią się od fal

radiowych.

Dość waŜną cechą propagacji promieniowania w wolnej przestrzeni jest duŜa

tłumienność jednostkowa. Jest to spowodowane wysoką częstotliwością fal świetlnych.

Fale świetlne ulegają silnej absorpcji przez parę wodną i dwutlenek węgla, rozproszeniu

na cząsteczkach kurzu u załamaniu przy przenikaniu warstw powietrza o róŜnej

temperaturze.

Moc sygnału optycznego, docierającego do odbiornika w odległości l km od

nadajnika moŜna określić następującą zaleŜnością:

( )[ ] aNPWlP 10= (2.2)

gdzie, NP oznacza moc nadajnika [W], zaś α- tłumienność [dB/km].

9

Maksymalna odległość, na jaką moŜna przesyłać sygnał optyczny, wynosi zatem

[ ]O

NMAX P

PkmL log

10

α= (2.3)

gdzie, PN, PO – odpowiednio moc nadajnika i odbiornika [W]. NaleŜy przy tym

pamiętać, aby moc odebrana nie moŜe być mniejsza od czułości odbiornika. W

przeciwieństwie do transmisji radiowej, w której zasięg zaleŜy głownie od mocy

nadajnika, a w mniejszym stopniu od tłumienności trasy, w systemach optycznych

tłumienność trasy ma duŜo większe znaczenie niŜ moc nadajnika, z czym się wiąŜą

ograniczenia zasięgu transmisji, który zazwyczaj wynosi od 2 do 10 m.

Podobnie jak w transmisji radiowej, fale podczerwieni równieŜ ulegają zjawisku

propagacji wielodrogowej, Detektory promieniowania w podczerwieni mają jednak

wymiary znacznie większe od długości fali, toteŜ nie występują tu, znane z łączności

radiowej, zjawiska zaniku, spowodowane nałoŜeniem się sygnałów w przeciwnych

fazach.

Kolejnym problemem jest promieniowanie świetlne występujące w środowisku

pracy łączna wykorzystującego podczerwień. Moc takiego promieniowania moŜe

przekraczać nawet o 25 dB moc sygnału uŜytecznego. Rozwiązaniem tego problem jest

uŜycie do łączności światła monochromatycznego i filtrów pasmowo przepustowych, a

takŜe zastosowanie koncentratorów optycznych [3].

Światło laserowe

Światło laserowe jest szczególnym przypadkiem fal elektromagnetycznych z

zakresu światła widzialnego i sąsiednich zakresów. Cechą charakterystyczną laserów

(ang. Light Amplification by Stimulatin Emision of Radiation) jest moŜliwość uzyskana

wiązki światła o bardzo wąskim spektrum. Światło laserowe pozwala na transmisję z

duŜymi szybkościami. Mała szerokość wiązki pozwala takŜe na eliminację zakłóceń

zewnętrznych oraz ochronę danych przed niepowołanym dostępem. Wadą światła tego

rodzaju jest konieczność dokładnego nacelowania wiązki na odbiornik, z czym

związane są trudności przy transmisji na dalsze odległości. Dodatkową wadą jest brak

mobilności.

10

W razie łączności z obiektami ruchomymi naleŜy koniecznie śledzić tor ruchu.

Naziemna komunikacja laserowa jest utrudniona przez takie same wcześniej zjawiska,

pochłanianie, rozpraszanie i załamaniem promieni w atmosferze pod wpływem

czynników atmosferycznych. Przeszkody naziemne mają teŜ bardzo duŜy wpływ na

stosowanie laserów.

Rozchodzenie się światła w atmosferze moŜna opisać zaleŜnością:

[ ] )( rploeIlxI αα +−

= (2.4)

gdzie, Io – natęŜenie promieniowania na początku drogi [lx], I- natęŜenie

promieniowania na końcu drogi [lx], l- długość przebytej drogi w atmosferze [km], αp i

αr – odpowiednio współczynnik pochłaniania i rozpraszania atmosfery [dB/km] [3].

Wartość współczynnika tłumienia α=αp+αr zaleŜy od długości fali. ZaleŜność ta

jest bardzo nieregularna, moŜna jednak wyróŜnić pewne zakresy długości fal

elektromagnetycznych, w których sumaryczne tłumienie jest znacznie niŜsze niŜ dla

pozostałych. Są to m.in. zakresy: 0,5-0,9 mm, 1,2-1,3 mm, 2,1-2,4 mm.

Propagacja promieniowania podczerwonego w atmosferze

Fale podczerwieni rozchodzące się w atmosferze ulegają tłumieniu, które w pewnych

warunkach moŜe być tak duŜe, Ŝe uniemoŜliwia nawiązywanie łączności. RozróŜnić

moŜna takie rodzaje tłumienia jak:

• tłumienie spowodowane warunkami atmosferycznymi: deszcz, mgła, grad,

śnieg,

• absorpcja molekularna,

• rozpraszanie na cząsteczkach,

• tłumienie w twardych cząsteczkach (pył, cząsteczki dymu).

Znajomość fizyki atmosfery pomaga zrozumieć sposób powstawania chmur i

mgieł, które są szczególnie szkodliwe dla propagacji wiązki optycznej. Atmosfera

składa się głównie z azotu (78 procent), tlenu (21 procent) i argonu (1 procent). W jej

skład zalicza się takŜe szereg innych związków chemicznych, takich jak woda (od 0 do

7 procent) i dwutlenek węgla (od 0,01 do 0,1 procent). Istnieją teŜ inne cząsteczki, które

wchodzą w skład atmosfery. Mogą być wytwarzane w procesach produkcji i obróbki

11

materiałów bądź ich spalania. Do najliczniej występujących zalicza się kurz, dym i

cząsteczki ziemi. Połączenie tych wszystkich elementów przyczynia się na jej

zachowanie w propagacji fal elektromagnetycznych.

Tłumienie

Tłumienie atmosferyczne definiuje się jako proces, w którym część bądź całość

energii fali elektromagnetycznej jest utracona w sposób wchłania lub jej rozproszenia,

podczas pokonywania drogi w atmosferze. Dla typowych długości fal stosowanych

przez bezprzewodowe łącza IR (850 - 1550 nm), wkład tłumienia atmosferze jest

stosunkowo niski w porównaniu do wkładu tłumienia zaleŜnych od warunków

pogodowych. Dla porównania w warunkach czystej atmosfery wartość tłumienia to

około 0.2 dB/km, a dla miejsc zurbanizowanych, w wyniku występowania kurzu i dymu

10dB/km. Dla porównania w warunkach bardzo gęstej mgły wartości te mogą osiągnąć

nawet 300 dB/km.

Absorpcja

W przypadku absorpcji energia rozchodzącej się fali elektromagnetycznej jest

zuŜywana na wzbudzanie atomów i cząsteczek. Absorbując energię rozchodzącej się

fali atomy i cząsteczki przechodzą ze stanu o mniejszej energii do stanu o większej

energii. Absorpcja w zakresie widma optycznego jest spowodowana przede wszystkim

obecnością w atmosferze pary wodnej, dwutlenku węgla ozonu. Pozostałe składniki nie

mają tak wielkiego znaczenia. Tłumienie fal świetlnych wzrasta wraz ze wzrostem tych

trzech składników, a one zmieniają się wraz z warunkami atmosferycznymi. Zawartość

pary wodnej waha się w granicach od 10-3 % do 1% w zaleŜności od pory dnia i

miejsca. Koncentracja dwutlenku węgla wynosi średnio 0,01% przy czym jest znacznie

większa na obszarach uprzemysłowionych. Zawartość ozonu rośnie z wysokością i

osiąga wartość maksymalną 10-3%. Absorpcja atmosferyczna zaleŜy od długości fali

elektromagnetycznej [4,6]. Pochłanianie atmosfery w funkcji długości fal została

przedstawiona na rys.2.3.

Rys.2.3. Pochłanianie fal w róŜnych warunkach atmosferycznych[12]

Rozpraszanie

Rozpraszanie światła przez pojedyncze molekuły powietrza, cz

kurzu oraz krople wody jest definiowane jako rozproszenie zwi

świetlnych, która oddziałując z materi

wtórne fale elektromagnetyczne. Wymiary cz

tworzące mgłę i deszcz są porównywalne z długo

atmosfery ziemskiej spowodowana rozpraszaniem

zaleŜy od ich wymiarów i maleje odwrotnie proporcjonalnie do czwartek pot

długości fali, więc spośród fal opty

zakresu podczerwieni[4,6].

Wpływ opadów i mgieł na łącze optyczne

Powierzchnia Ziemi jest głównym generatorem pary wodnej w atmosferze.

StęŜenie skroplonej wody jest wię

obecności powstają chmury lub mgły. Dodatkow

atmosferze jest deszcz i śnieg jednak to ws

stanowi główny problem. Ich tłumienia, które mog

ych warunkach atmosferycznych[12]

wiatła przez pojedyncze molekuły powietrza, cząsteczki dymu i

kurzu oraz krople wody jest definiowane jako rozproszenie związane z falową natur

ąc z materią powoduje jej drgania i wypromieniowuje

wtórne fale elektromagnetyczne. Wymiary cząsteczek dymu i kurzu oraz krople wody

porównywalne z długością fal świetlnych. Tłumienno

atmosfery ziemskiej spowodowana rozpraszaniem światła na tego typu cząsteczkach

y od ich wymiarów i maleje odwrotnie proporcjonalnie do czwartek pot

ród fal optycznych najmniejszemu tłumieniu ulegają

cze optyczne

a Ziemi jest głównym generatorem pary wodnej w atmosferze.

enie skroplonej wody jest większe w dolnej części atmosfery i w przypadku jej

chmury lub mgły. Dodatkową formą wody występują

nieg jednak to wszelka postać mgły i pary wodnej w powietrzu

stanowi główny problem. Ich tłumienia, które mogą osiągnąć wartości ponad

steczki dymu i

ą naturą fal

duje jej drgania i wypromieniowuje

steczek dymu i kurzu oraz krople wody

wietlnych. Tłumienność

ąsteczkach

y od ich wymiarów i maleje odwrotnie proporcjonalnie do czwartek potęgi

ulegają fale z

a Ziemi jest głównym generatorem pary wodnej w atmosferze.

ci atmosfery i w przypadku jej

ępującej w

mgły i pary wodnej w powietrzu

13

300 dB/km mogą wpłynąć na działanie bezprzewodowego łącza podczerwieni o

odległościach takich jak 100 m. Porównywalny efekt występuje, gdy dym staje na

drodze komunikacji natomiast deszcz i śnieg nie wprowadzają tak znacznych tłumień.

Wynika to z faktu, Ŝe jest to zaleŜne od długości fali, przy czym krople deszczu

wpływają głównie na mikrofalowe systemy przekazywania informacji.

Tabela 2.1.Tłumienie i zasięg fali zakresu podczerwieni w róŜnym stanie atmosfery [12]

Stan atmosfery Tłumienie α [dB/km] Zasięg d

CięŜka mgła >272 <50m

Średnia mgła 60-21 200-500m

Lekka mgła 13-4 770m-2000m

Mgiełka 2,6-0,44 2,8km-10km

Czyste powietrze 0,24-0,06 18km-50km

Zawirowania powietrza

Ze wzrostem temperatury maleje zarówno gęstość, jak i współczynnik załamania

atmosfery. Jednocześnie na skutek mieszania się gorących i zimnych mas powietrza

współczynnik załamania ulega lokalnym i okresowym wahaniom. Powoduje to zmiany

w rozchodzeniu się fal świetlnych. Zmiany te zaleŜą od stosunku średnicy wiązki

świetlnej do odcinka toru optycznego wzdłuŜ, którego zmienia się współczynnik

załamania. W pewnych przypadkach wiązka moŜe zostać całkowicie odchylona od

swojego początkowego kierunku. Jednym sposobem zredukowania wahań tłumienności

oraz okresów zaniku łączności jest odpowiednie rozszerzanie wiązki świetlnej.

Zawirowania powietrza powodować mogą lokalne i okresowe zmiany współczynnika

załamania i zaleŜą one od stanu pogody, wysokości na której przesyłana jest wiązka

świetlna, jak i od pory doby czy roku. Główne efekty turbulencji powietrza to

załamanie, ogniskowanie i rozpraszanie się światła [4].

14

Inne źródła wpływające na jakość łącza

Ze względu na znaczny wpływ dla komunikacji bezprzewodowej w paśmie

podczerwieni, promieniowanie podczerwone z atmosfery było badane przez wielu

naukowców. Pomiary przeprowadzano dla róŜnych szerokości geograficznych, pór

roku, ruchów mas powietrza czy warunków atmosferycznych. Wyniki tych badań

przedstawia rys.2.4. Pokazuje on intensywność promieniowania z kosmosu do

powierzchni Ziemi w paśmie widzialnym i bliskiej podczerwieni. Tego typu wykres jest

wykorzystywany nie tylko do oceny ilości światła słonecznego, które dociera do Ziemi

w róŜnych ilościach i o róŜnych długościach fal, ale równieŜ jako wskaźnik okien, które

naleŜy wykorzystywać przy wyborze długości fali nadawania bezprzewodowego łącza

podczerwieni. WyróŜnić moŜna cztery specyficzne pasma wzdłuŜ zakresu widzialnego

i bliskiej podczerwieni w regionach: 900 do 980nm; 1,1 do 1,16µm; 1,3 do 1,5 µm i 1,8

do 2 µm. Jest to jeden z powodów, dla których systemy bezprzewodowych transmisji

optycznych zazwyczaj nadają dla długości: 780 do 950 nm i 1,2 do 1,3 nm.

Rys.2.4. Promieniowanie atmosferyczne w okresie letnim [10]

15

Wpływ promieniowania świetlnego w środowisku pracy

We większości przypadków systemy optyczne pracujące zarówno wewnątrz jak

i na zewnątrz. Odbierają nie tylko sygnały uŜyteczne emitowane przez nadajnik ale

równieŜ sygnały promieniowane z otoczenia, czyli światła sztucznego bądź słońca.

Źródła te mają część swojej energii w danym przedziale widma podczerwieni, która

wprowadza szumy do odbiornika, zmniejszając w ten sposób stosunek sygnał szum

SNR (ang. Signal Noise Ratio). WraŜliwość systemów optycznych bezprzewodowych

moŜe być określona jako ilość niechcianego oświetlenia otoczenia, które jest moŜliwe

do odrzucenia. W związku z tym przebadanie róŜnych źródeł światła otoczenia i

stworzenie technik mających na celu graniczenie bądź wyeliminowanie niepoŜądanego

promieniowania spełnia bardzo waŜną rolę przy projektowaniu systemów

bezprzewodowych pracujących w paśmie podczerwieni [10].

WyróŜniono trzy podstawowe źródła wewnątrz pomieszczeń [12]:

• lampy fluorescencyjne,

• lampy Ŝarowe,

• światło słoneczne.

Ich znormalizowaną gęstość mocy na jednostkę długości fali dla lamp

fluorescencyjnych, lamp Ŝarowych, i słońca przedstawia rys.2.5. Znormalizowany

rozkład mocy w paśmie od 300 do 1500 nm pokazuje, które z nich najmocniej

wpływają na pracę systemu optycznego w paśmie podczerwieni. Na rysunku rys.2.5.

widzimy, iŜ najniebezpieczniejszym z nich jest światło z lamp wolframowych. Ich

największa moc przypada w paśmie roboczym bezprzewodowych systemów

optycznych. Najmniejsze zakłócenie wnosi oświetlenie z lamp fluorescencyjnych.

Maksymalna moc przypada w paśmie widzialnym dla około 630 nm. Widmowa gęstość

mocy świetlówek osiąga minimum dla długości fal w bliskiej podczerwieni. Większość

detektorów jest najbardziej wraŜliwa właśnie dla tych wartości, jest to zwykle około

850–950 nm. Światło dzienne i lampy Ŝarowe charakteryzują się szerokim pasmem i

większą ilością energii w bliskiej podczerwieni części widma.

16

Rys.2.5. Widma róŜnych źródeł światła w codziennym środowisku pracy [10]

Większość biur i pomieszczeń roboczych, gdzie uŜywane są systemy optyczne,

oświetlane są lampami fluorescencyjnymi, które emitują mniej szumu do

fotodetektorów. JednakŜe, światło produkowane przez te lampy charakteryzuje się

znaczną fluktuacją, co wpływa niekorzystnie na odbiornik. Zakres częstotliwości

harmonicznych generowanych przez lampy fluorescencyjne zaleŜą od typu i wieku

lampy. W starszych modelach sięgać mogą do 500kHz. Dlatego teŜ wykorzystuje się

modulowanie sygnału podnośną o częstotliwości powyŜej 100kHz, której odpowiada

najbardziej znacząca harmoniczna. Drugim sposobem jest kodowanie danych z

tłumionym widmem dla niskich częstotliwości.

Metody redukcji szumu otoczenia

Istnieje wiele technik, które moŜna wykorzystać do zmniejszenia szumu

wprowadzonego poprzez oświetlenie otoczenia. Jedną z nich jest ograniczenie pola

widzenia odbiornika. Alternatywą do tego jest uŜycie filtrów optycznych. Najczęściej

wykorzystuje się filtry pasmowe zgodne z charakterystyką źródła zakłóceń i czułości

fotoelementu w celu zminimalizowania niepoŜądanego zakłócenia bez tłumienia

sygnału roboczego. Charakterystykę transmitancji od długości fali przykładowego filtru

przedstawia rysunek rys.2.6.

Filtry mogą być wykonane z kolorowego plastiku lub szkła, pozwalającego na

przejście energii wyłącznie dla interesujących nas długości fal. Jedną z cech tychŜe

17

filtrów jest przepuszczanie przychodzącej energii niezaleŜnie od kąta jej padania, co

sprawia, iŜ są one najczęściej uŜywanymi filtrami w systemach optycznych. Jedną z ich

głównych wad natomiast jest szerokość pasma przepustowego, która jest zwykle

szeroka. Kolory zazwyczaj uŜywane to głęboka czerwień, bądź inne kolory

nieprzezroczyste, aby ukryć elementy i obwody elektryczne znajdujące się w obudowie.

MoŜna wyróŜnić dwa główne tworzywa sztuczne wykorzystywane jako filtry optyczne.

Istnieją dwa rodzaje tworzyw sztucznych powszechnie stosowanych, są to akryl i

poliwęglan. Ich właściwości są podobne, lecz ten drugi jest bardziej wytrzymały i

uŜywany jest dla urządzeń pracujących w surowszych warunkach.

Charakterystykę przykładowego filtru optycznego przedstawia poniŜszy rysunek:

Rys.2.6. Transmitancja filtru optycznego z materiału akrylowego [14]

2.3. Struktura optycznego systemu transmisyjnego

Wybór długości fal w optycznym systemie transmisji zaleŜy nie tylko od

potrzeb, ale teŜ od moŜliwości technicznych. W szczególności chodzi tu o metody

generacji i modulacji światła, oraz transmisji i demodulacji. Cała struktura jest w

zasadzie zbliŜona do struktury systemów radiowych. Zamiast anten są tu

wykorzystywane układy nadawczo-odbiorcze promieniowania świetlnego. RóŜnicą są

teŜ metody modulacji sygnałów.

Schemat optycznego systemu teletransmisyjnego pokazano na rysunku rys.2.7.

18

Rys.2.7. Schemat optycznego systemu teletransmisyjnego [4]

Na powyŜszym schemacie widoczna jest transmisja informacji z widzialnością

bezpośrednią FSO (ang. Free-Space Optical). Na wejściu jak i na wyjściu informacja

ma charakter elektryczny. Część nadająca składa się z układu wewnętrznego i źródła

światła. Na samym początku, sygnał wejściowy jest modulowany, a następnie

zmieniany na sygnał optyczny i wypromieniowany. Jako źródło światła najczęściej

stosuje się diody LED lub diody laserowe. Zmodulowana informacja przechodzi

poprzez wolną przestrzeń a potem trafia do detektora światła. Jako detektory najczęściej

stosuje się fotoelementy takie jak fotodiody PIN bądź fototranzystory. Detektor

zamienia sygnał optyczny w elektryczny. Kolejną rzeczą jest jego demodulacja i

przygotowanie sygnału w ten sposób aby w jak najdokładniejszy sposób odpowiadał

informacji nadanej.

2.4. Modulacja i demodulacja sygnałów optycznych

MoŜliwe są dwa rodzaje detekcji:

• detekcja koherentna, wymagająca sinusoidalnego sygnału odniesienia,

zsynchronizowanego w fazie i częstotliwości z odebranym sygnałem nośnym,

• detekcja niekoherentna, nie wymagająca takiego sygnału.

W chwili obecnej technologia produkcji nadajników i odbiorników pozwala na

realizację detekcji koherentnej, jednak w większym stopniu wykorzystywana jest

detekcja niekoherentna ze względu na prostotę i tani koszt. Najczęściej stosuje się

metody modulacji takie jak bezpośrednia detekcja sygnału oraz modulację

intensywności strumienia świetlnego IM (ang. Intensity Modulation). Uzyskiwana jest

poprzez zmianę natęŜenia prądu sterującego nadajnikiem promieni świetlnych.

19

Natomiast odbiornik wytwarza prąd optyczny proporcjonalny do mocy

padającego promieniowania. Przy cyfrowej transmisji danych, proces modulacji

związany jest z włączaniem i wyłączaniem diody w zaleŜności od ciągu bitów danych.

Modulacja intensywności moŜe być połączona z innymi typami modulacji. Wynikiem

tego jest modulacja FSK-IM (ang. Frequency Shift Keying-Intensity Modulation), w

której wymaga się wprowadzenia dodatkowego modulatora przed nadajnikiem i

demodulatora za odbiornikiem. Konstrukcja jest nieco bardziej skomplikowana lecz

zapewnia to wyŜszą jakość transmisji.

W optycznych systemach transmisyjnych stosuje się teŜ modulacje impulsowe [3]:

• modulację amplitudy impulsów PAM, (ang. Pulse Amplitude Modulation),

• modulacje połoŜenia impulsów PPM, (ang. Pulse Position Modulation),

• modulację szerokości impulsów PWM, (ang. Pulse Width Modulation),

• modulację częstotliwości impulsów PFM, (ang. Pilse Frequency Modulation)

Modulacje te równieŜ są wykorzystywane w połączeniu z modulacją intensywności

promieniowania.

2.5. Rodzaje i zasięg łącz optycznych

Łącza optyczne moŜna podzielić na [3]:

• Łącza z widzialnością bezpośrednią, (rys.2.8, a)

• Łącza dyfuzyjne, (rys.2.8, f)

• Łącza kierunkowe, (rys.2.8, d)

• Łącza szerokokątne, (rys.2.8, c)

• Łącza mieszane. (rys.2.8, b)

20

Rys.2.8. RóŜne rodzaje łączy optycznych [10]

KaŜde z rodzajów łącza ma swoje zalety i wady co w efekcie końcowym daje ich róŜne

zastosowanie. NajwaŜniejsze cechy przedstawiono w tabeli 2.2.

Tabela 2.2. Charakterystyka róŜnych łączy optycznych [10]

Kierunkowe Szerokokątne

Z widzialnością bezpośrednią

Konieczna bezpośrednia widoczność pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Wąskie pole widzenia w odbiorniku. DuŜy zasięg. Maksymalna szybkość transmisji. Brak moŜliwość poruszania się. Poprawa sprawności energetycznej. Wysoka podatność na blokowanie. Brak propagacji wielodrogowej. Minimalne zniekształcenia w komunikacji dwukierunkowej

Konieczna bezpośrednia widoczności pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem Zmniejszony zasięg. Mniejsza szybkość transmisji. Ograniczona mobilność. Zmniejszenie podatności na blokowanie.

Dyfuzyjne

Brak konieczności bezpośredniej widoczności pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Niska skłonność do blokowania Zwiększona mobilność. Spadek sprawności energetycznej.

Brak konieczności bezpośredniej widoczności pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Szeroka emisji światła nadajnika i odbiornika. Maksymalna mobilność. Minimalna podatność na blokowanie. Stosowana do transmisji rozsiewczej. Maksymalne zniekształcenia w komunikacji dwukierunkowej. Maksymalna elastyczność i odporność na blokowanie. Minimalny zasięg.

Mieszane

Bezpośrednia widoczność pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Większa mobilność.

Względna podatności na blokowanie sygnału przez przeszkody. Zmniejszony zasięg i sprawność energetyczna,

21

Zasięg optyczny

W przypadku sieci bezprzewodowych zasadnicze znaczenie dla przesyłu danych

maja fale docierające do odbiornika bezpośrednio. Do oszacowania moŜliwego zasięgu

połączenia optycznego znać naleŜy następujące parametry [13]:

• Moc nadajnika optycznego - PN,

• Długość fali optycznej systemu transmisyjnego – λ,

• Czułość odbiornika optycznego dla zadanej stropy błędów - SR,

• Znajomość tłumienia środowiska α.

Moc nadajnika optycznego jest mocą mierzoną na wyjściu optycznym dla danej

długości fali λ, przy załoŜeniu, Ŝe nadajnik jest pobudzany sygnałem ciągłym. JeŜeli

jako nadajnik została uŜyta dioda LED cała moc optyczna na wyjściu nadajnika jest

mocą uŜyteczną biorącą udział w transmisji. W przypadku źródeł laserowych moc

nadawcza jest sumą mocy wynikającej z prądu polaryzacji i prądu sygnału

modulującego. O zasięgu w takim przypadku decydować będzie poziom mocy

modulowanego sygnału optycznego.

Długość fali optycznej nadajnika jest istotnym parametrem decydującym o

zasięgu łącza optycznego. Związane jest to z faktem, iŜ tłumienie medium jest ściśle

zaleŜne od długości fali optycznej. Kolejnym czynnikiem zaleŜnym od długości fali

optycznej jest poszerzenie impulsu wprowadzane przez tor optyczny. Wynika ono ze

zmian prędkości propagacji wraz ze zmianą długości fali i jest równieŜ zaleŜne od

centralnej długości fali systemu. Źródło światła stosowane w nadajnikach jest

niepunktowe i posiada pewną charakterystykę widmową. Stąd, energia niesiona przez

światło w róŜnym czasie dociera do odbiornika.

Czułość odbiornika mówi o minimalnym poziomie mocy optycznej na jego

wejściu gwarantującym bitową stopę błędów nie gorszą niŜ załoŜoną przez producenta.

Dla optycznych systemów telekomunikacyjnych wyznacznikiem jest stopa błędów nie

gorsza niŜ 1x10-12

, gdzie mamy przekłamany jeden bit na 1x1012

odebranych[13].

2.7. Promieniowanie podczerwieni a bezpieczeństwo oczu

Zwiększając moc emitowaną przez nadajnik podczerwieni moŜna przezwycięŜyć

niektóre ograniczenia transmisji danych w bezprzewodowej technologii optycznej.

22

WyŜsza emisja sygnał moŜe zrekompensować straty poniesione przez tłumienie

atmosferyczne i zwiększyć zasięg systemu i poprawić SNR.

WyŜszy poziom mocy pozwoliłby teŜ na korzystanie z mniejszych i szybszych

detektorów podczerwieni. Niestety moc nadajnika jest ograniczona z uwagi na

bezpieczeństwa zdrowia i ograniczenia zuŜycia energii. Światło podczerwieni,

widzialne czy ultrafioletowe moŜe prowadzić do uszkodzenia oka ludzkiego, jeŜeli

energia emitowana na ich długości fal przekracza określone poziomy bezpieczeństwa.

Na rys.2.9. przedstawiona jest charakterystyka czułości oka ludzkiego dla róŜnej

długości fali.

Promieniowanie w bliskiej podczerwieni moŜe powodować oparzenie siatkówki,

podczas gdy promieniowanie w średniej i dalekiej podczerwieni powoduje oparzenie

rogówki. Uszkodzenie oczu występuje gdy źródło sygnału z nadmierną siłą dociera do

oka i swoją energię skupia na siatkówce. Efektem tego jest wystąpienie energii w tym

miejscu czego następstwem jest wzrost temperatury tkanek [10].

Rys.2.9. Charakterystyka widmowa względnej czułości oka ludzkiego[9]

23

Oprócz poziomu mocy waŜne są teŜ inne czynniki, które naleŜy brać pod uwagę przy

ocenie bezpieczeństwa pracy, są to:

• długość fali roboczej,

• odległość od źródła promieniowania,

• czas ekspozycji oka napromieniowanie,

• gęstość strumienia,

• szerokość wiązki promieniowania.

Bezpieczeństwo oczu jest najwaŜniejszym ograniczeniem emitowanej mocy

optycznej w kaŜdym zakresie, dlatego teŜ międzynarodowa komisja elektrotechniczna

IEC (ang. International Electrotechnical Commission) ustanowiła klasy bezpieczeństwa

róŜnych źródeł światła. Źródła te są klasyfikowane w zaleŜności, od charakteru

emitowanej energii a dokładniej czy jest to źródło wiązki skupionej czy rozszczepionej.

Źródła laserowe są uwaŜane za bardziej niebezpieczne niŜ diody LED.

2.8 Źródła nadawania w podczerwieni

Diody LED

W optoelektronice najczęściej wykorzystuje się elementy półprzewodnikowe.

Elementy te moŜemy podzielić na fotoemitery i fotodetektory. Fotoemitery

półprzewodnikowe, przekształcają energię elektryczna w energię promieniowania

elektromagnetycznego. W praktyce najczęściej stosowanymi w urządzeniach są diody

elektroluminescencyjne LED (ang. Light Emitting Diode) oraz diody laserowe, które

emitują promieniowanie spójne.

24

Tabela 2.3. Wielkości opisujące promieniowanie [9]

Wielkości energetyczne

Wielkość Symbol Jednostka

Energia promieniowania Q J

Moc promieniowania Pe W

NatęŜenie promieniowania Ie W/sr

Luminacja energetyczna Le W/(sr.m2)

Egzytancja energetyczna Me W/m2

Wielkości świetlne

Ilość światła Qv lm.s

Strumień świetlny Ψv lm

Światłość Iv cd

luminacja Lv cd/m2

NatęŜenie oświetlenia Ev lx

Diody LED wykorzystują do generacji światła rekombinację promienistą

spontaniczną dlatego emitowane promieniowanie jest niespójne. Promieniowanie jest

wytwarzane w wyniku rekombinacji dziur i elektronów. Zjawisko to jak i ich budowa

przedstawiona jest na rysunku rys.2.10.

Rys.2.10. Zasada działania i przykładowy wygląd diody elektroluminescencyjnej [9,11]

Przy spolaryzowaniu złącza PN w kierunku przewodzenia elektrony obszaru N,

przechodzą do obszaru P, gdzie rekombinują z dziurami znajdującymi się w paśmie

25

podstawowym. Odpowiadający takiemu przejściu nadmiar energii zostaje

wypromieniowany w postaci energii promienistej. Promieniowanie spontaniczne

wytwarzane w obszarze typu p w bezpośrednim sąsiedztwie złącza rozchodzi się we

wszystkich kierunkach. W praktyce wykorzystuje się tylko pewną część tego

promieniowania. Reszta jest absorbowana lub w zaleŜności od kąta padania częściowo

albo całkowicie odbijana. Diody uŜywane do celów telekomunikacji optycznej powinny

odznaczać się duŜą sprawnością energetyczną. Luminacja energetyczna jest miarą mocy

emitowanej w danym kierunku w jednostce kąta bryłowego przez jednostkę

powierzchni diody. Diody nadawcze powinny ponadto wyróŜniać się krótkimi czasami

przełączania. Wtedy przez szybkie zmiany prądu wstrzykiwania moŜna bezpośrednio

modulować promieniowanie diody. Dodatkowo widmo emisji spontanicznej powinno

być wąskie i przypadać w obszarze widmowym małej tłumienności i duŜej czułości

fotodetektorów. Barwa światła, długość fali emitowanej przez diody LED zaleŜy od

uŜytego materiału półprzewodnikowego [4,9,10,11]. Najpopularniejsze z nich

przedstawia tabela 2.4.

Tabela 2.4. Cechy róŜnych półprzewodników [9]

System aktywnej warstwy materiału Robocze długości fal [µm] Substrat

GaAs/AlxGa1-xAs 0,8-0,9 GaAl

GaAs/InxGa1-xP 0,9 GaAs

AlyGa1-yAs/AlxGa1-xAs 0,65-0,9 GaAs

InyGa1-yAs/InxGa1-xP 0,85-1,1 GaAl

GaAs1-xSbx 0,9-1,1 GaAs

In1-xGaxAsyP1-y/InP 0,92-1,7 InP

Diody LED są umieszczane w obudowach metalowych, z tworzyw sztucznych,

przezroczystych, matowych a ich przykładowy kształt przedstawiono rys.2.10.

Obudowy są zamknięte soczewkami z tworzyw sztucznych, formującymi wiązkę

promieniowania.

26

Rys.2.11. Charakterystyka kątowa promieniowania diody LED [9]

Pozwala to uzyskać optymalny kształt charakterystyki kątowej promieniowania,

obrazującej przestrzenny rozkład promieniowania względem osi optycznej, rys.11.

Tabela 2.5. Przykłady diod nadawczych w zakresie podczerwieni [15,16]

Typ diody KM-4457F3C KP-1608F3C CQY37N TSAL5100

Długość fali [nm] 940 940 950 950

Kąt promieniowania [O] 150 120 12 10

Max. strata mocy [mW] 100 100 170 210

Max. prąd przewodzenia [mA] 50 50 100 100

Napięcie przewodzenia[V] 1.5 1.6 1.6 1.6

Rodzaj półprzewodnika GaAs GaAs GaAs GaAiAs/

GaAs

Dla porównania diod nadawczych umieszono kolejną charakterystykę kątową

promieniowania. Przy projektowaniu soczewki danej diody nadawczej zwraca się

uwagę na rodzaj łącza w jakim będzie ona wykorzystywana. W tabeli 2.5.widoczna jest

zaleŜność pomiędzy kątem promieniowania a maksymalną stratą mocy. W przypadku

szerszego kąta moc ta jest mniejsza. Po prawej części rysunku rys.2.12 umieszczono

charakterystykę intensywności nadawania diody, gdzie maksimum jest przy 940 nm.

27

Rys.2.12. Przykładowe charakterystyki promieniowania i intensywności nadawania

diod nadawczych [15,16]

Diody Laserowe

Kolejnym źródłem fali elektromagnetycznej wykorzystywanym w przesyle

informacji w zakresie podczerwieni jest dioda laserowa, znana jako laser diodowy. W

laserach tych promieniowanie wymuszone powstaje w podobny sposób jak w diodach

LED. Pod wpływem płynącego prądu następuje przenoszenie elektronów w atomach na

wyŜszy poziom. W wyniku emisji spontanicznej powstają kwanty promieniowania

mające przypadkową fazę i przypadkowy kierunek. Absorpcja rezonansowa występuje

częściej niŜ emisja wymuszona i w efekcie dioda laserowa zachowuje się jak dioda

LED. Wraz ze zwiększeniem prądu, następuje zjawisko inwersji obsadzeń czyli, na

sytuacja kiedy na górnej orbicie pojawia się więcej elektronów aniŜeli na dolnej. W ten

sposób większa ilość kwantów światła powstaje wskutek emisji wymuszonej a nie

absorpcji rezonansowej [4,17].

Charakterystycznym elementem diod laserowych jest lustro półprzepuszczalne,

które odbija z powrotem część powstałych fotonów, a te z kolei powodują dalszą

wymuszoną emisję, tworząc w ten sposób rezonator optyczny. Tylko kwanty mające

odpowiedni kierunek ruchu, częstotliwość i fazę biorą udział w dalszym wzmocnieniu.

W odróŜnieniu od diody LED, promieniowanie emitowane lasera jest koherentne, co

znaczy Ŝe kwanty powstające podczas emisji wymuszonej, mają taką samą

częstotliwość i fazę, jak kwanty promieniowania wymuszające go, czyli są spójne.

Rys.2.13. Zasada działania i budowa diody

Tabela 2.6. przedstawia róŜne typy

zawarte umieszczono tak aby wyró

laserowymi.

Tabela 2.6. Przykłady diod laserowych

Typ diody

Długość fali [nm]

Kąt promieniowania [O]

Max. strata mocy [mW]

Max. prąd przewodzenia [mA]

Napięcie przewodzenia[V]

Rodzaj półprzewodnika

Porównanie diod LED i laserowych

W praktyce uŜywa się róŜ

optycznej. Preferowane to diody LED i diody laserowe

aplikacji i ich właściwości. Diody LED s

promieniowania jest szerszy dlatego

. Zasada działania i budowa diody laserowej [17,19]

typy laserowych diod nadawczych. Parametry w niej

zawarte umieszczono tak aby wyróŜnić róŜnice pomiędzy diodami LED a diodami

laserowych nadawczych [19,20]

RLD 808 SLD322XT HL6712G NX5312

808 840 680 1310

12 9 8 ---

200 500 --- 20

500 1200 65 150

2 2,1 2 2

----- AlGaAs AlGaInP InGaAsP

Porównanie diod LED i laserowych

ę róŜnych źródeł światła do bezprzewodowej komunikacji

diody LED i diody laserowe wybierane w zaleŜno

Diody LED są tańsze i bezpieczniejsze. Ich k

atego preferowaną formą zastosowań to pomieszczenia.

owych diod nadawczych. Parametry w niej

dzy diodami LED a diodami

wiatła do bezprzewodowej komunikacji

Ŝności od

sze i bezpieczniejsze. Ich kąt

to pomieszczenia.

Niestety ich elektrooptyczne sprawno

ograniczona do kilkuset megaherców

filtrowanie niechcianych ź

przedstawia spektrum optyczne omawianych

Rys.2.14

Diody laserowe są dro

sterowniki i moduły. Ponadto

energii ze względu na bezpiecze

modulacji diody laserowej jest znacznie wi

konwersja elektrooptyczna jest wy

pozwala na wykorzystanie w

w celu zapewnienia wysokiej redukcji szumu z otoczenia.

Rys.2.15. Charakterystyka skuteczno

Niestety ich elektrooptyczne sprawności przetwarzania są niskie, modulacja jest

ograniczona do kilkuset megaherców a szerokość widmowa duŜa, co sprawia,

filtrowanie niechcianych źródeł podczerwieni jest trudniejsze. Rysunek

przedstawia spektrum optyczne omawianych źródeł światła [10].

4. Widmo diody laserowej i diody LED [17]

ą droŜsze i bardziej skomplikowane, a do obsługi potrzebne s

sterowniki i moduły. Ponadto są one przedmiotem rygorystycznych ogranicze

du na bezpieczeństwo oka, lecz oferują teŜ wiele korzy

laserowej jest znacznie większe niŜ w przypadku diody LED.

konwersja elektrooptyczna jest wyŜsza i szerokość widmowa tych źródeł jest w

pozwala na wykorzystanie wąskopasmowych cienkowarstwowych filtrów optycznych

w celu zapewnienia wysokiej redukcji szumu z otoczenia.

Rys.2.15. Charakterystyka skuteczności diody laserowej i diody LED

modulacja jest

a, co sprawia, Ŝe

Rysunek rys.2.14.

do obsługi potrzebne są

one przedmiotem rygorystycznych ograniczeń przesyłu

wiele korzyści. Pasmo

w przypadku diody LED. Ponadto

ródeł jest węŜsza i

skopasmowych cienkowarstwowych filtrów optycznych

ci diody laserowej i diody LED [17]

30

Rysunek rys.2.15 przedstawia wykres, który porównuje sprawności omawianych diod.

Do pewnego prądu progowego dioda laserowa zachowuje się jak dioda LED.

Tabela 2.7. NajwaŜniejsze cechy nadajników podczerwieni [12]

Parametr Dioda LED Dioda Laserowa

Szerokość widma 25-100 nm <10-5 do 5 nm

Pasmo modulacji 104 – 107 Hz 104-1010Hz

Sprawność przetwarzania E/O

10-20% 30-70%

Bezpieczeństwo oczu Bezpieczne dla

oczu Dla λ<1400 nm specjalne środki

bezpieczeństwa

Koszty Niskie Umiarkowane i wysokie

2.9. Fotodetektory

W systemach komunikacji optycznej odbiornikami sygnałów są fotodetektory

przetwarzające zmodulowane fale świetlne na sygnały elektryczne. W fotodetektorach

wykorzystuje się efekt fotoelektryczny, czyli bezpośrednio padające światło generuje

nośniki prądu. Drugi wykorzystywany efekt, to efekt termiczny, gdzie detektor

nagrzewa się na skutek absorpcji światła, a prąd generowany jest na skutek

wytworzonej róŜnicy temperatur. Detektory termiczne reagują bardzo wolno na zmiany

światła i mogą być uŜyte jedynie do demodulacji sygnałów o małej częstotliwości.

Natomiast pierwsza grupa odznacza się dobrą czułością i duŜą prędkością działania.

Zewnętrzny efekt fotoelektryczny związany jest z fotoemisją - wybijaniem przez

padające promieniowanie elektronów z powierzchni fotokatody. Detektory tego typu

noszą nazwę fotokomórek. Wewnętrzny efekt fotoelektryczny polega na wzroście

konduktywności w wyniku oświetlenia – inaczej, zjawisko fotoprzewodnictwa, bądź teŜ

samoistnej polaryzacji złącza PN, wskutek czego stanie się ono źródłem siły

elektromotorycznej i wytwarzaniu ruchliwych nośników prądu.

31

Spośród wszystkich fotodetektorów najpopularniejsze to fotodiody

półprzewodnikowe, fotodiody lawinowe, fototranzystory oraz scalone odbiorniki

podczerwieni.

Fotodetektor jest integralną częścią układu odbiornika bezprzewodowej drogi

optycznej. Wychwytywać on powinien nawet niski sygnał optyczny i konwertować go

na sygnał elektryczny bez wprowadzania błędów. W systemach cyfrowych szum

spowodować moŜe błędy, dlatego tez waŜne jest, aby stosunek SNR był wystarczająco

duŜy. Dzięki temu uzyskać moŜna akceptowalną stopę błędu BER (ang. Bit Error

Ratio). Rola jaką odgrywa fotodetektor tłumaczy surowe wymagania wydajności i

kompatybilności jakie powinien on spełniać [10]:

• Wysoka czułość dla uŜywanej długości fali,

• Wysoka wierność przy odtwarzaniu otrzymanych sygnałów ,

• DuŜy kąt zbierania sygnału,

• Szeroki zakres konwersji sygnału optycznego na elektryczny,

• Krótki czas reakcji,

• Minimalne szumy,

• Inne własności : niski koszt, niewielkie rozmiary, wysoka stabilność i

niezawodność.

Fotodiody półprzewodnikowe

Fotodiody półprzewodnikowe wykonane są zwykle z krzemu w postaci struktury PIN o

następującej budowie:

Rys.2.16. Budowa wewnętrzna diody półprzewodnikowej [9]

32

W obudowie znajduje się soczewka umoŜliwiająca oświetlenie obszaru złącza,

którą przedstawiono na rysunku rys.2.16. Na silnie domieszkowane podłoŜe typu N,

nakładana jest słabo przewodząca warstwa epitaksjalna typu N lub samoistna typu I. Do

tej warstwy wprowadza się przez dyfuzję domieszkę typu P tak, aby

przypowierzchniowa część obszaru samoistnego przechodzi w warstwę typu P+.

ObrzeŜe to jest połączone z elektroda kontaktową, natomiast środek tej warstwy z

antyodblaskowym pokryciem jest przezroczysty dla światła o określonej długości fali.

Światło z danego zakresu wnika bez odbić w głąb struktury powodując generację

nośników. Fotodioda pracuje przy polaryzacji w kierunku zaporowym. Przy braku

oświetlenia przez fotodiodę płynie niewielki ciemny prąd wsteczny. W skład prądu

oświetlonego złączna, tzw. prądu jasnego wchodzi więc prąd fotoelektryczny i prąd

ciemny [4,9]. Na rysunku rys.2.17. przedstawiono charakterystykę prądowo napięciową

fotodiody.

Rys.2.17. Charakterystyka prądowo napięciowa fotodiody [9]

Prąd fotodiody wzrasta proporcjonalnie do mocy promieniowania. Czułość na tą

moc jest stała i to w szerokim zakresie. Jest to jedną z zalet fotodiod. Mogą one

przetwarzać sygnały świetlne o częstotliwości kilkudziesięciu MHz, co jest kolejną

waŜną zaletą. Półprzewodniki, z których wytwarza się fotodiody oraz ich

charakterystyczne parametry pokazano w tabeli 2.8.

33

Tabela 2.8. Półprzewodniki wykorzystywane do produkcji fotodiod [10]

Materiał Pasmo energetyczne (eV) Robocze długości fal [nm]

Si 1.12 500-900

Ge 0.67 900-1300

GeAs 1.43 750-850

Fotodiody germanowe ze względu na wąską przerwę energetyczną germanu

pracują w zakresie fal do 1,3 µm. Fotodiody krzemowe reagują na światło o długości

fali mniejszej niŜ 1 µm. Ze względu na lepiej opanowaną technologię krzemu większość

fotodiod jest wykonywana właśnie z tego materiału. German ze względu na węŜszą

przerwę energetyczną posiada większe prądy ciemne zmniejszające ich czułość. Inna

zaleta krzemu to znacznie łagodniejszy wzrost współczynnika tłumienia przy rosnącej

energii fotonów. Fakt ten umoŜliwia wykonanie fotodiod o duŜej dokładności

przewidzianych wartości parametrów.

Znacznie większą czułością i szybkością działania niŜ fotodiody

konwencjonalne charakteryzują się fotodiody PIN. Padające promieniowanie generuje

dodatkowe nośniki przede wszystkim w obszarze I. W rezultacie diody PIN mają

bardzo duŜe częstotliwości graniczne dochodzące do dziesiątek GHz. Fotodiody PIN

stosuje się m.in. w systemach telekomunikacji optycznej i w układach detekcji

promieniowania laserowego.

Fotodiody lawinowe

DuŜą czułością i szybkością działania charakteryzują się fotodiody lawinowe.

Wykorzystuje się w nich wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne oraz zjawisko

lawinowego powielania nośników. Przy spolaryzowaniu zaporowym napięciem bliskim

wartości przebicia, pierwotne elektrony i dziury wytwarzane przez padające

promieniowanie, generują w procesie jonizacji zderzeniowej nowe pary nośników.

Nowo powstałe nośniki wnoszą swój wkład do jonizacji zderzeniowej i pierwotny słaby

prąd fotoelektryczny zaczyna lawinowo narastać. Proces powielania lawinowego

nośników zwiększa silnie czułość fotodiody.

34

Fotodiody lawinowe stosuje się do detekcji szybkozmiennych impulsów

świetlnych o bardzo małej mocy, np. w łączach światłoczułych, w układach automatyki

oraz sprzęcie wojskowym. Wadą fotodiod lawinowych jest skomplikowany układ ich

zasilania oraz złoŜona technologia wytwarzania [4,9].

Tabela 2.9. Cechy wybranych półprzewodników [9]

Typ diody Długość fali[µm]

Napięcie przebicia[V]

Max.wzmocnienie prądowe

Pojemność [pF]

Prąd ciemny[A]

Lawinowa Si: p-n

0,6-1,1 210 200 1 10-8

Si: p-i-n 0,4-1,1 ----- ---- 3 5.10-8

Si: p-n 0,4-1,1 ---- ---- 1,8 2.10-8

Fototranzystor

Kolejnym waŜnym fotodetektorem jest fototranzystor, którego czułość jest

wielokrotnie większa niŜ omawianej wcześniej fotodiody. Prąd wytworzony pod

wpływem promieniowania ulega dodatkowemu wzmocnieniu. Fototranzystory mają

trzy obszary o róŜnym typie przewodnictwa. Promieniowanie świetlne moŜe padać na

obszar bazy, emitera lub kolektora. Najczęściej spotykanymi fototranzystorami są

fototranzystory NPN w układzie ze wspólnym emiterem WE i z oświetlanym obszarem

bazy. Większość fototranzystorów nie ma wyprowadzenia tego obszaru na zewnątrz, co

upraszcza jego zasilanie. Takie rozwiązanie przedstawiono na rysunku rys.2.18

Rys.2.18. Zasada działania fototranzystora [9]

35

Wielkością sterującą jest wówczas ilość światła padającego na czuły obszar.

Przez nieoświetlony fototranzystor równieŜ płynie niewielki prąd ciemny.

Podstawowymi charakterystykami fototranzystora są charakterystyki wyjściowe,

przedstawiające zaleŜność prądu od napięcia kolektor-emiter, którą przedstawiono na

rysunku rys.2.19.

Rys.2.19. Charakterystyki wyjściowe fototranzystora [9]

Parametrem krzywych jest moc promieniowania. Czułość na natęŜenie

oświetlenia wynosi od kilku do kilkudziesięciu mikroamperów, a maksimum czułości

przypada dla λ = od 750 do 900nm [4,9] .

Wadą fototranzystorów jest ich mała prędkość działania. Częstotliwość

graniczna jest rzędu kilkudziesięciu kHz. W tabeli 2.10 porównano dwa róŜne

fototranzystory.

Tabela 2.10. Porównanie fototranzystorów [16]

Fototranzystor Wzmocnienie

prądowe Napięcie UCE

[V] Kąt chwytania

[o] Prąd ciemny

[nA]

BPV11 450 70 15 50

BPX43 330 70 15 200

36

Zarówno w przypadku fotodiod jak i fototranzystorów, producenci umieszczają

podstawowe charakterystyki, ukazujące kąt czułości oraz długości fal dla jakich jest ona

największa. Rysunek rys.2.20 przedstawia ich przykład dla typowego fototranzystora.

Rys.2.20. Czułość optyczna i jej kąt fototranzystora [16]

Głównymi obszarami zastosowań fototranzystorów są układy automatyki i

zdalnego sterowania, układ łączy optoelektronicznych, czytniki taśm i kart kodowych.

Układy scalone

W związku z popularnością i wymaganiami jakie muszą spełniać odbiorniki i

nadajniki podczerwieni zaczęto produkować układy scalone zawierające niezbędne

elementy zapewniające poprawną komunikację drogą bezprzewodową w paśmie

podczerwieni. Główna idea detekcji i konwersji sygnału optycznego została

przedstawiona na rysunku rys.2.21.

Rys.2.21. Schemat blokowy układu detekcji [10]

37

W układzie tym wyróŜnia się trzy podstawowe części: fotodetektor, część

linearyzująca i układ decyzyjny. W pierwszej z nich najczęściej uŜywanym elementem

jest fotodioda PIN, mająca na celu detekcję sygnału optycznego i zamianę go na sygnał

elektryczny. W dalszej części odebrany sygnał jest wzmocniony przez

przedwzmacniacz i przepuszczany przez filtr pasmowy, który dostarcza na wejście

głównego wzmacniacza odbiornika uŜyteczny sygnał RMA (ang. Receiver Main

Amplifier). Wzmacniacz ten projektowany jest w zaleŜności od aplikacji w jakiej

pracuje i moŜe działać jako wzmacniacz ograniczający, bądź jako automatyczna

regulacja wzmocnienia, AGC (ang. Automatic Gain Control). Przygotowuje to sygnał

do wartości wymaganej przez układ decyzyjny, odpowiadający za odzyskanie danych.

Układ taki naraŜony jest na liczne źródła zakłóceń i szumów.

Moduły podczerwieni

Istnieje kilka firm produkujących gotowe fotomoduły wykorzystywane w wielu

aplikacjach. Do głównych naleŜą Vishay Smiconductors, Osram i Everlight.

Fotomoduły TSOP17xx z firmy Vishay opisywane są jako seria

zminiaturyzowanych odbiorników podczerwieni uŜywanych najczęściej w pilotach

zdalnego sterowania. Dioda PIN i wzmacniacz zgrupowane są w jednej obudowie, która

zarazem spełnia funkcję filtru optycznego. Zdemodulowany sygnał na wyjściu układu

moŜe być bezpośrednio podany na procesor. Pracują one w szerokiej grupie urządzeń

zdalnego sterowania i współpracują z większością kodów transmisji [16].

Zalety opisywane przez producenta to [22]:

• Fotodetektor i wzmacniacze w jednej obudowie,

• Wewnętrznym filtr dla częstotliwości modulacji PCM,

• Poprawione ekranowanie przeciwko zakłóceniom,

• Kompatybilne z układami TTL i CMOS,

• Niski stan wyjścia aktywnego,

• Niski zuŜycie energii,

• Wysoka odporność na światło otoczenia,

• Ciągły przesył danych z prędkością do 2400 bps.

38

Rys.2.23. Schemat blokowy modułu z serii TSOP17XX [16]

Wewnętrzną budowę modułu z serii TSOP17XX przedstawiono na rysunku

rys.2.23, w skład który wchodzą elementy wcześniej opisane. Dodatkowo znajduje się

moŜna blok kontrolujący układ, sterujący automatycznym wzmocnieniem oraz

demodulatorem, którego wyjście dołączone jest do bazy tranzystora pracującego w

układzie wspólnego emitera. Całe urządzenie do poprawnej pracy potrzebuje jednego,

wspólnego zasilania. Obudowa moŜe posiadać róŜne kształty i wielkości.

Charakterystyczną cechą jest wybrzuszeniem, w którym umieszczona jest soczewka

oraz trzy wyprowadzenia układu.

Rys.2.24 Wygląd zewnętrzny fotomodułu [16]

NajwaŜniejsze parametry elektryczne są identyczne dla wszystkich fotomodułów z

rodziny TSOP17XX przedstawiono w tabeli 2.11. Są one takie same dla kaŜdego typu z

tej serii.

39

Tabela 2.11. Parametry fotomodułów firmy Vishay [16]

Parametr Wartość Jednostka

Napięcie zasilania -0.3…6.0 V

Prąd zasilania 5 mA

Napięcie na wyjściu -0.3…6.0 V

Prąd na wyjściu 5 mA

Konsumpcja mocy 50 mW

Dystans transmisji 35 m

Kierunkowość 45 [0]

Jedyną róŜnicą pomiędzy typami z serii TSOP17XX jest częstotliwość nośnej

wykorzystywanej do modulacji i demodulacji sygnału. Dwie ostatnie cyfry w nazwie

typu fotomodułu mówią o częstotliwości nośnej.

Tabela 2.12. Typy fotomodułów i ich częstotliwości [16]

Typ f0 Typ f0

TSOP1730 30 kHz TSOP1738 38 kHz

TSOP1733 33 kHz TSOP1740 40 kHz

TSOP1736 36 kHz TSOP1756 56 kHz

TSOP1737 36.7 kHz

Moduły są projektowane, tak aby nieoczekiwane sygnały na wyjściu związane z

szumem i zakłóceniami zewnętrznymi nie pojawiały się. W tym celu wykorzystuje się

filtr pasmowy, integrator oraz automatyczną kontrolę wzmocnienia. Wyznacznikiem

odróŜniającym pomiędzy sygnałem uŜytecznym a zakłóceniami jest częstotliwość

nośnej, i odpowiedniej długości i ilości cykli. Dlatego teŜ sygnał wejściowy powinien

być modulowany sygnałem najbardziej zbliŜonym do centralnej częstotliwości filtru

pasmowego. Paczka sygnału nie moŜe zawierać mniej niŜ 10 wzbudzeń, a przerwa

między nimi musi trwać przynajmniej czternastokrotność czasu ich trwania. Producent

zapewnia redukcję wpływu światła otoczenia oraz wpływu sygnałów o innej

częstotliwości.

Do działania układu nie potrzeba wielu zewn

jego zastosowanie i minimalizuje rozmiary całego urz

aplikacje przedstawiono na rysun

Rys.2.25. Typowa aplikacja fotomodułu

Innym przykładem popularnego fotomodułu mo

EVERLIGHT, który pokazano na rysunku rys.2.26.

Rys.2.26 Wygląd zewn

Posiada on podobne cechy

wyposaŜony jest w metalową obudow

jakich znalazł zastosowanie to m.in. sterowanie TV, sprz

klimatyzacji i wiatraków elektrycznych oraz przeł

Tabela 2.13. Parametry fotomodułów firmy EVERLIGHT [16]

Parametr

Napięcie zasilania

Prąd zasilania

Dystans transmisji

Kierunkowo

Do działania układu nie potrzeba wielu zewnętrznych elementów, co ułatwia

jego zastosowanie i minimalizuje rozmiary całego urządzenia. Typową aplikacj

aplikacje przedstawiono na rysunku rys.2.25

Typowa aplikacja fotomodułu z serii TSOP17XX [16]

Innym przykładem popularnego fotomodułu moŜe być IRM-8606S, producenta

EVERLIGHT, który pokazano na rysunku rys.2.26.

ąd zewnętrzny fotomodułu firmy EVERLIGHT [22]

chy do fotomodułu z rodziny TSOP17xx. Dodatkowo

ą obudowę, która zwiększa jego odporność. Aplikacje w

jakich znalazł zastosowanie to m.in. sterowanie TV, sprzętem Audio, kontrola

klimatyzacji i wiatraków elektrycznych oraz przełącznik optyczny.

Parametry fotomodułów firmy EVERLIGHT [16]

Parametr Wartość Jednostka

ęcie zasilania 0…6.3 V

ąd zasilania 3 mA

Dystans transmisji 8 m

Kierunkowość 45 [0]

trznych elementów, co ułatwia

aplikację

8606S, producenta

trzny fotomodułu firmy EVERLIGHT [22]

rodziny TSOP17xx. Dodatkowo

. Aplikacje w

tem Audio, kontrola

41

W swojej budowie układ IRM-8606S wykorzystuje podobne elementy co

TSOP17XX. Pokazano to na rysunku rys.2.27. Cechą róŜniącą go jest limiter

wzmocnienia integrator do wyliczenia wartości średniej sygnału oraz komparator z

pętlą histerezy podłączony do bazy tranzystora. Na wyjściu układu mamy dwa stany

napięcia, odpowiadające logicznemu ‘1’ bądź ‘0’ w zaleŜności od obecności bądź braku

sygnału na wejściu.

Rys.2.27 Schemat blokowy modułu TSOP17xx [16]

Standardowa aplikacja z mikroprocesorem (rys.2.28), zamieszczona w nocie

katalogowej przez producenta nie róŜni się od tej w TSOP17XX. Dzięki temu dwa

moduły moŜna zasilać bateryjnie i nie potrzebują duŜo elementów zewnętrznych co

pozwala oszczędzić miejsce i ułatwia stosowanie układów.

Rys.2.28 Typowa aplikacja fotomodułu IRM-8606S [22]

Układy transceiverów

Transceiver jest to układ scalony posiadający w jednej obudowie zarówno

nadajnik i odbiornik podczerwieni. Transceivery są najczęściej wykorzystywane przy

standardzie IrDa, opisanym w rozdziale 2.10. Moduły te produkowane są na róŜne

maksymalne prędkości transmisji danych od 115,2 kb/s aŜ do 100Mbit/s [5].

42

Przykładowy wygląd takiego modułu pokazana na rysunku rys.2.29

Rys.29. Typowa wygląd transceivera podczerwieni [22]

Jednym z przedstawicieli grupy SIR jest transceiver firmy VISHAY, FDU4101.

W swojej strukturze moduł zawiera wszelkie elementy do poprawnego nadawania i

odbioru sygnału w paśmie podczerwieni

Rys.2.30. Schemat blokowy TFDU4101 [16]

Warte uwagi są dwa wyjścia oznaczone jako TXD i RXD. To pierwsze

odpowiada wejściu wykorzystanemu do transmisji danych szeregowych w momencie

gdy wejście SD jest w stanie niskim. Kolejne odpowiada wyjściu danych odebranych,

które podczas transmisji danych jest nieaktywne. Tak jak wcześniej omawiane

fotomoduły, TFDU4101 nie potrzebuje wielu elementów zewnętrznych. Jego

standardowa aplikację przedstawia rysunek, rys.2.31

Rys.2.31. Standardowa aplikacja TFDU4101

43

Kolejnym przykładem moŜe być transceiver z grupy FIR ( patrz rozdział 2.10 ),

przystosowany do większej szybkości przesyłu danych, nawet do 4 Mbit/s, o nazwie

TFDU6300. Model ten posiada identyczną budowę wewnętrzną i standardową

aplikację, co czyni je uniwersalnymi i łatwymi do modyfikacji systemu.

Tabela 2.14. Porównanie parametrów transceiverów firmy VISHAY [16]

Parametr TFDU4101 TFDU6300 Jednostka

Napięcie zasilania 2,4…5,5 2.4…6 V

Pobór prądu 10 10 mA

Pobór prądu w stanie uśpienia 3 1 µA

Prędkość transmisji 115.2 4 000 kbit/s

Zasięg transmisji 1 9 m

2.10. Standard IrDA

Standard IrDA jest prekursorem technologii bezprzewodowych. Firmy takie jak

IBM, HP i SHARP, załoŜyly w 1993 roku grupę IrDA (ang. Infrared Data Association).

Standard ten zawdzięcza swoje powstanie procesom normalizacji, dotyczącym zdalnego

sterowania urządzeń RTV. Pierwotnie technologia IrDA miała być normą dla portów

transmisji danych, a obecnie jest protokołem transmisji informacji cyfrowych w

podczerwonym paśmie częstotliwości, wspieranym przez około 200 firm. Specyfikacja

IrDA została przystosowana do standardu ISO. Dostosowany jest do komunikacji

dwustronnej, kierunkowej w konfiguracji „punkt-punkt” z kilkoma wariantami

szybkości transmisji między urządzeniami [5].

Podczas komunikacji IrDA zapewnia transmisję danych z róŜnymi szybkościami

transmisyjnymi danych. W ten sposób moŜna wyróŜnić standardy zapewniające daną

prędkość, takie jak:

• SIR (ang. Slow InfraRed) - Pierwotny system IrDA 1.0, czyli szeregowa IrDA

warstwy fizycznej. Standard ten zdefiniowany dla krótkiego zasięgu dla

asynchronicznego, szeregowego przesyłania danych. Maksymalna szybkość

wynosi 115,2 kbot/s na odległość 1m w trybie transmisji w jednym kierunku.

• MIR (ang. Medium InfraRed

• FIR (ang. Fast InfraRed

Szybkość do 4 Mbs, zasi

Urządzenia FIR wspierają

• VFIR (ang. Very Fast InfraRed

maksymalną szybkość przesyłu danych do 16 Mb/s

• UFIR (ang. Ultra Fast InfraRed

szybkości przesyłu danych ponad 100Mb/s

Architektura standardu IrDA

Protokoły komunikacyjne w IrDA DATA

korzystają wzajemnie ze swoich usług.

elementy obowiązkowe, opcjonalne i multimedialne zostały przedstawion

rys.2.32.

Rys. 2.32

W skład podgrupy wdraŜane obowi

• Warstwa fizyczna IrPHY (ang. Physical Layer)

optyczne, kodowanie danych oraz synchronizacje ramek

• IrLAP –odpowiada za nawi

• IrLMP –wykonuje zwielokrotnienie podziału czasowego

• IAS-odpowiada za dostęp do informacji

Medium InfraRed) – szybkość transmisji wynosi (576…1152) kb

Fast InfraRed) - standard IrDA 1.1 wprowadzony w 1996 roku.

o 4 Mbs, zasięg krótki w trybie transmisji w jednym kierunku.

ia FIR wspierają urządzenia SIR.

Very Fast InfraRed) – opracowany 2000 roku technika zapewnia

ść przesyłu danych do 16 Mb/s

Ultra Fast InfraRed) – ta specyfikacja przewiduje osią

ci przesyłu danych ponad 100Mb/s

Protokoły komunikacyjne w IrDA DATA zostały podzielone na warstwy i

wzajemnie ze swoich usług. Cała struktura standardu IrDA wliczaj

zkowe, opcjonalne i multimedialne zostały przedstawione na rysunku

2. Architektura standardu IrDA [5]

ane obowiązkowo wchodzą [5]:

Warstwa fizyczna IrPHY (ang. Physical Layer) –specyfikuje charakterys

optyczne, kodowanie danych oraz synchronizacje ramek,

odpowiada za nawiązanie połączenia i jego niezawodność,

wykonuje zwielokrotnienie podziału czasowego,

ęp do informacji.

transmisji wynosi (576…1152) kbit/s

standard IrDA 1.1 wprowadzony w 1996 roku.

misji w jednym kierunku.

opracowany 2000 roku technika zapewnia

osiągnięcie

na warstwy i

Cała struktura standardu IrDA wliczając

e na rysunku

specyfikuje charakterystyki

45

Zastosowanie poniŜszych protokołów opcjonalnych zaleŜy od wymagań konkretnej

aplikacji [5]:

• Protokół Tiny TP – zapewnia niezawodność transmisji oraz sterowanie danych

w kanale,

• Protokół IrOBEX – ułatwia transfer plików i innych obiektów,

• IrCOMM – emuluje porty szeregowe i równoległe,

• IrLAN- zapewnia urządzeniom elektronicznym, dostęp do sieci LAN.

Zastosowanie i zalety

IrDA jest implementowana w większości telefonów, komputerów przenośnych

drukarek czy aparatów cyfrowych. Zapewnia wygodne połączenie pomiędzy

urządzeniami ruchomymi i lokalną siecią bezprzewodową LAN. Standard ten

umoŜliwia m.in. połączenie dwóch komputerów w sieć, połączenie do sieci

przewodowej poprzez inny komputer bądź dołączenie do sieci LAN poprzez adapter

dostępu. Cechą charakterystyczną technologii IrDA jest jej uniwersalność, działa na

kaŜdej platformie systemowej z kaŜdym urządzeniem wyposaŜonym w port

podczerwieni. Kolejnymi zaletami standardu IrDA są [5]:

• prosta i tania implementacja,

• mały pobór mocy,

• połączenia bezpośrednie w konfiguracji „punkt-punkt”,

• wydajne i pewne przesyłanie danych.

Porównanie technologii wybranych standardów łączności bezprzewodowej

W tabeli 2.15 przedstawiono najpopularniejsze standardy łączności

bezprzewodowej takie jak IrDA, Bluetooth i Wi-Fi. Zamieszczono w niej ich

najwaŜniejsze cechy, takie jak zasięg czy szybkość transmisji. Informacje te, są

niezbędne przy wyborze poprawnie działającej łączności dla danych wymagań.

Standard IrDA cechuje się prostotą i szybkim czasem nawiązania połączenia. Niestety

46

parametry zasięgu i ilości podłączonych urządzeń wypadają gorzej przy porównaniu ze

standardem Wi-Fi.

Tabela 2.15. Porównanie standardów [23]

Technologia IrDA Bluetooth Wi-Fi

Data powstania 1993 1998 199

Zasięg 1 m 10 m 100 m

Rodzaj transmisji kierunkowa dookólna dookólna

Medium transmisji podczerwień 2,4 GHz 2,4Ghz; 5GHz

Czas nawiązania połączenia

250-650 ms 2-10 s 2 s

Szybkość transmisji 16 Mb/s 1 Mb/s 54 Mb/s

Rodzaj połączenia Punkt-punkt Punkt-

wielopunkt Punkt-

wielopunkt

Maksymalna liczba urządzeń

2 8 w pikosieci, 10 pikosieci w

zasięgu

ZaleŜy od danej sieci

Prostota korzystania DuŜa Średnia Mała

Pobór mocy 10 mW 100 mW wysoki

Bezpieczeństwo brak szyfrowanie Protokół

WEP

W związku z pojawieniem się innych technologii zaczęto opracowywać

mechanizmy zapewniające współpracę pomiędzy standardami IrDA i Bluetooth.

Współpraca ta dotyczy aplikacji i nie gwarantuje bezpośredniej transmisji pomiędzy

nimi. Obydwie technologie mają swoje wady i zalety, które są charakterystyczne dla

kaŜdej z nich.

47

3. Opracowanie koncepcji stanowiska do badania systemu

bezprzewodowej transmisji sygnałów drogą optyczną.

W części tej zastały opisane załoŜenia i projekt stanowiska do badania systemu

bezprzewodowej transmisji sygnałów drogą optyczną. Stanowisko to składa się z dwóch

modułów. Z modułu nadawczego i odbiorczego. Głównym celem projektu jest

przedstawienie i wytłumaczenie zasad pracy systemu przesyłu informacji w zakresie

podczerwieni. Dodatkowym celem było sprawdzenie i przebadanie moŜliwości

gotowych układów scalonych dostępnych na rynku. Obie stacje, nadawcza i odbiorcza,

zasilane są z zasilacza sieciowego.

ZałoŜenia projektowe nadajnika:

• Płynna regulacja częstotliwości nośnej w dwóch zakresach: od 1kHz do

10kHz i od 1kHz do 100kHz,

• Płynna regulacja czasu trwania informacji (logicznego „0” i „1”),

• Wybór róŜnych źródeł nadawczych, róŜniących się długościami fal,

• Regulacja mocy nadawania,

• Zasilanie z sieci energetycznej 230V,

• Łatwa obsługa urządzenia,

• Wskaźnik częstotliwości

• MoŜliwość zbadania przebiegu w róŜnym miejscu urządzenia.

Rys.3.1. Schemat blokowy nadajnika podczerwieni.

48

ZałoŜenia projektowe odbiornika:

• MoŜliwość porównania typowych fotodetektorów z gotowymi układami

scalonymi,

• Łatwa interpretacja odebranego sygnału,

• Zasilanie z sieci energetycznej 230V,

• Łatwa i intuicyjna obsługa,

• MoŜliwość zbadania przebiegu w róŜnym miejscu urządzenia.

Rys.3.2. Schemat blokowy odbiornika podczerwieni.

Na rysunkach 3.1 i 3.2 przedstawiono schematy blokowe wykonanych stacji do

transmisji bezprzewodowej drogą optyczną. Do budowy nadajnika podczerwieni uŜyto

trzech układów scalonych odpowiedzialnych za generacje i modulacje sygnału

sterującego źródłem światła o interesującym nas zakresie fal. Za generację sygnału

odpowiedzialny jest popularny układ czasowy NE555 firmy Philips Semiconductors,

pracujący w układzie astabilnym. Nośna sygnału wytwarzana jest dzięki uniwersalnemu

przetwornikowi napięcie/częstotliwość KA331 firmy Fairchild Semiconductors . Jako

źródła światła uŜywane są cztery diody nadawcze podczerwieni. KaŜda z nich posiada

inne parametry oraz długość fali emitowanej. Urządzenie zasilane jest wprost z

zasilania sieciowego 230V poprzez zasilacz 12V.

W skład odbiornika wchodzą dwie, róŜne trasy detekcji sygnału podczerwieni.

W pierwszej za detekcję, wzmocnienie i demodulację sygnału odpowiedzialne są

gotowe fotomoduły podczerwieni omawiane w rozdziale 2.7. Zastosowano róŜne typy

gotowych fotomodułów, w celu przebadania i porównania ich właściwości. Otrzymany

49

sygnał sygnalizowany jest diodą kontrolną LED. Istnieje takŜe moŜliwość zbadania

sygnału na wyjściu układu w celu porównania go z informacją wysłaną.

W drugiej trasie do detekcji sygnału zostały uŜyte fotodiody oraz

fototranzystory. Otrzymany sygnał jest odpowiednio wzmocniony a następnie podany

na diody sygnalizujące otrzymany sygnał. Do detekcji sygnału uŜyto fotodetektorów o

znacznie róŜniących się od siebie parametrach. Urządzenie zasilane jest wprost z

zasilania sieciowego 230V poprzez zasilacz 12V.

3.1. Opis komponentów uŜytych do budowy nadajnika fal z zakresu bliskiej

podczerwieni.

W części tej opisane zostały wszystkie elementy wchodzące w skład budowy

modułu nadawczego. Pokazano ich budowę wewnętrzną oraz sposób doboru elementów

zewnętrznych niezbędnych do uzyskania wspomnianych wcześniej załoŜeń

projektowych.

Przetwornik KA331 i układ generatora nośnej

Układ scalony KA331 jest to zamiennik układu LM331, który jest znanym

przetwornikiem napięcie-częstotliwość, wykorzystywanym w układach konwersji

analogowo-cyfrowej.

Rysunek rys.3.3 przestawia schemat blokowy przetwornika KA331.

50

Rys.3.3. Schemat blokowy przetwornika KA331

W układzie scalonym KA331 znajduje się skompensowane temperaturowo

źródło napięcia odniesienia o bardzo dobrej dokładności temperaturowej w całym

zakresie temperatur pracy. Precyzyjny układ przerzutnika monostabilnego ma małe

prądy polaryzacyjne, jest szybki i po wyliczeniu elementów zewnętrznych zapewnia

konwersję sygnałów do częstotliwości 100kHz. Układ zasilany jest pojedynczym

napięciem o szerokim zakresie 5-40V. Dodatkowo, wyjście typu otwarty kolektor jest

zabezpieczone przed zwarciem do napięcia zasilania. Układ posiada bardzo duŜą

liniowość i stabilność napięcia odniesienia. W przypadku układu KA331 producent

gwarantuje maksymalną stabilność 0,01% a napięcie odniesienia na poziomie około

1,89V. Inne parametry przedstawia tabela 3.2. Na wyjściu układu w zaleŜności od

napięcia wejściowego otrzymywany jest sygnał prostokątny o częstotliwości

proporcjonalnej do niego. Posiada on osiem wyprowadzeń, których funkcje

przedstawia tabela 3.1. W notach katalogowych producent sugeruje nam podstawową

aplikacje jako przetwornik napięcie-częstotliwość, ale po zmianie konfiguracji układ

staje się przetwornikiem częstotliwość-napięcie.

Na rysunku rys.3.4. przedstawiono schemat wewnętrzny oraz podstawowy układ

pracy w roli przetwornika V/F. Stałe napięcie przetwarzane na sygnał prostokątny o

zadanej częstotliwości, podawane jest na nóŜkę nr.7. Kondensator C9 jest ładowany

prądem z ustalanego źródła prądowego i rozładowywane poprzez rezystor R10. Prąd

51

źródła jest wyznaczony poprzez zaleŜność 3/89,1 RI s = . Prąd większy niŜ 5mA

spowodować moŜe nieodwracalne szkody w układzie.

Tabela 3.1 Wyprowadzenia układu scalonego KA331

PIN# Symbol Typ Opis 1 Current output O Źródło prądu wyjścia 2 Reference current I Prąd referencyjny 3 Frequency output O Wyjście 4 GND Źródło masy 5 RC I Czas działania przerzutnika 6 Threshold I Wejście komparatora 7 Comparator input I Napięcie wejściowe 8 VCC O Napięcie zasilania

Czas działania przerzutnika monostabilnego jest wyznaczony przez elementy

R5 i C11, dołączone do nóŜki nr.5. Wyliczamy go z zaleŜności 1151,1 CRT ⋅⋅= .

Częstotliwość powtarzania impulsów jest proporcjonalna do napięcia wejściowego i

przedstawia ją wzór:)1151089,1(

)3(

CRR

RUF WE

WY⋅⋅⋅

⋅= .Dla zachowania dokładności

elementy odpowiadające za pracę układu powinny być stabilne. Na rysunku rys.3.4.

rezystor R1 zapewnia kompensację prądów polaryzujących wypływających z wejść

6 i 7.

Dodatkowo umieszczono kondensator C7, który pełni rolę filtru. Producent

sugeruje aby wartość tego kondensatora była równa wartości kondensatora C9,

poniewaŜ w takim wypadku zmiana napięcia wejściowego powoduje natychmiastową

zmianę częstotliwości impulsu wyjściowego.

Rys.3.4. Konfiguracja przetwornika napięcie-częstotliwość [24]

Przy projektowaniu nadajnika drogi optycznej w zakresie podczerwieni

podstawowy układ aplikacyjny przetwornika V/F z not

zmodyfikowany. Układ generowania sygnału no

przedstawia rysunek rys.3.5.

Rys.3.5. Schemat uk

Połączony szeregowo z kondensatorem C9 rezystor o niewielkiej warto

powoduje powstanie niewielkiej histerezy i poprawia liniowo

wyznaczająca prąd ładowania, składa si

to skompensowanie błędów wzmocnienia układu i

współczynnik przetwarzania miał zadan

przetwarzania 1kHz/1V oraz 10lHz/10V wybierane za pomoc

Potencjometr R9 oraz rezystor

napięcia niezrównowaŜenia komparatora, która mo

Tabela 3.2). Napięcie niezrównowa

mierzonych.

ktowaniu nadajnika drogi optycznej w zakresie podczerwieni

podstawowy układ aplikacyjny przetwornika V/F z noty katalogowej

zmodyfikowany. Układ generowania sygnału nośnej modulujący sygnał nadawany

Rys.3.5. Schemat układu generującego sygnał nośnej

czony szeregowo z kondensatorem C9 rezystor o niewielkiej warto

powoduje powstanie niewielkiej histerezy i poprawia liniowość układu. Rezystancja

d ładowania, składa się z rezystora R3 i potencjometru R6. Umo

dów wzmocnienia układu i tolerancji uŜytych elementów, by

współczynnik przetwarzania miał zadaną wartość. Układ ten posiada dwa zakresy

przetwarzania 1kHz/1V oraz 10lHz/10V wybierane za pomocą przełącznika P6.

metr R9 oraz rezystor R11 potrzebne są do korekcji wejściowego

enia komparatora, która moŜe wynosić ±10mV (patrz

cie niezrównowaŜenia ogranicza uŜyteczny zakres napi

ktowaniu nadajnika drogi optycznej w zakresie podczerwieni

został

cy sygnał nadawany

czony szeregowo z kondensatorem C9 rezystor o niewielkiej wartości

układu. Rezystancja

R6. UmoŜliwia

ytych elementów, by

. Układ ten posiada dwa zakresy

cznika P6.

do korekcji wejściowego

±10mV (patrz

yteczny zakres napięć

Tabela 3.2. Parametry przetworn

ParametrNapięcie zasilania

Prąd zasilania

Temp. otoczeniaNapięcie odniesienia

Prąd wyjściowyNapięcie niezrównowa

Częstotliwość wyj

Kalibracja układu

Zaprojektowany układ przetwornika napi

w celu uzyskania naleŜytego współczynnika przetwarzania. Przy zakr

pomocą potencjometru R6 nale

na przykład 8V. W tym wypadku na wej

napięcie równe 8V i za pomoc

równą dokładnie 80kHz.

Za pomocą potencjometru R9 mo

NaleŜy za jego pomocą skalibrowa

przykład 500mV, uzyskują

wysokiej i niskiej częstotliwo

0,01% pełnej skali. Charakterystyki wyj

przedstawione na rysunkach rys.3.6. i rys.3.7.

Rys.3.6. Charakterystyka wyj

Parametry przetwornika KA331 [24]

Parametr Warunki Min. Typ. cie zasilania 5V

d zasilania Zasilanie 5V 1.5mA 3mA Zasilanie 40V 2mA 4mA

Temp. otoczenia 00C cie odniesienia NóŜka 2 1.7V 1.89V

ściowy NóŜka 1 116µA 136µA cie niezrównowaŜenia ±3mV

ść wyjścia Uwe=10V 10kHz

Zaprojektowany układ przetwornika napięcie-częstotliwość naleŜy skalibrowa

Ŝytego współczynnika przetwarzania. Przy zakresie 10

6 naleŜy skalibrować układ do duŜego napięcia wej

na przykład 8V. W tym wypadku na wejście komparatora, nóŜka nr.7 podajemy

cie równe 8V i za pomocą potencjometru R6 ustawiamy częstotliwość

potencjometru R9 moŜna uzyskać optymalny zakres napi

ą skalibrować układ dla małego napięcia wejś

500mV, uzyskując częstotliwość wyjściową 5kHz . Po takiej kalibracji

stotliwości nieliniowość przetwornika nie powinna by

Charakterystyki wyjściowe dla dwóch zakresów zostały

przedstawione na rysunkach rys.3.6. i rys.3.7.

Rys.3.6. Charakterystyka wyjściowa przetwornika względem napięcia wej

Max. 40V 6mA 8mA

+700C 2.08V 156µA 10mV

100kHz

naleŜy skalibrować

esie 10kHz/1V za

ęcia wejściowego,

ka nr.7 podajemy

stotliwość wejściową

optymalny zakres napięć pracy.

cia wejściowego, na

. Po takiej kalibracji

przetwornika nie powinna być gorsza niŜ

ciowe dla dwóch zakresów zostały

cia wejściowego

Rys.3.7. Charakterystyka wyjściowa przetwornika wzgl

Z wykreślonych charakterystyk widoczna jest liniowa zale

napięciem wejściowym a częstotliwo

Niewielkie odchylenia spowodowane s

rozdzielczość woltomierza, którym odczytywano warto

wynosi 10mV co w przypadku zakresu 1V/10kHz wnosi bł

JednakŜe wyniki te są wystarczają

Dobór elementów dla układu KA331

Dla poprawnej pracy układu oraz zało

przetwornika KA331, naleŜało wyliczy

Rezystor R3:

Maksymalne napięcie na nó

Ω== 3785

89,13

mA

VR . W tym przypadku rezystancja nie mo

W naszym przypadku wartość rezystancji R3 ustalono na poziomie 12k

prąd płynący przez nóŜkę nr.2 wynosi 0,16mA.

. Charakterystyka wyjściowa przetwornika względem napięcia wejściowego

lonych charakterystyk widoczna jest liniowa zaleŜność pomi

ęstotliwością sygnału wyjściowego przetwornika KA331

iewielkie odchylenia spowodowane są błędem odczytu napięcia ze wzglę

woltomierza, którym odczytywano wartość napięcia. Jego rozdzielczo

wynosi 10mV co w przypadku zakresu 1V/10kHz wnosi błąd wielkości 100Hz.

arczające do poprawnej pracy układu nadawczego.

Dobór elementów dla układu KA331

Dla poprawnej pracy układu oraz załoŜonych zakresach częstotliwo

ało wyliczyć wartości elementów zewnętrznych.

nóŜce nr.2 U=1,89V, prąd maksymalny 5mA

. W tym przypadku rezystancja nie moŜe być mniejsza niŜ 378

ść rezystancji R3 ustalono na poziomie 12kΩ, przy czym

nr.2 wynosi 0,16mA.

ściowego

ść pomiędzy

przetwornika KA331.

cia ze względu na

cia. Jego rozdzielczość

ści 100Hz.

ęstotliwości

d maksymalny 5mA

mniejsza niŜ 378 Ω.

, przy czym

55

Elementy R5, C11 i C12, odpowiedzialne są za okres sygnału na wyjściu

przetwornika. 0

175,012,1151,1

fCRT =⋅⋅= , gdzie f0 to wymagana częstotliwość.

Producent sugeruje poprawność pracy układu dla elementów rzędu 6,8kΩ>R5>680kΩ i

0,001µF<C11,C12<1µF. W układzie przyjęto rezystancję dla wartości R5=6,8kΩ

Dla f0=10kHz, T= 5

0

105,71

75,0 −⋅=f

, 51048,71151,1 −⋅=⋅⋅= CRT

Dla f0=100kHz, T= 6

0

105,71

75,0 −⋅=f

, 61048,71251,1 −⋅=⋅⋅= CRT

Dla sprawdzenia poprawności przetwarzania napięcia na częstotliwość:

kHznFkk

kV

CRR

RUF WE

WY 67,4108,610089,1

125

)1151089,1(

)3(=

⋅Ω⋅Ω⋅

Ω⋅=

⋅⋅⋅

⋅= , przy czym

potencjometr R6 ustala sygnał na poziom 5kHz

Tabela 3.3. Wykaz uŜytych elementów.

Układ generatora nośnej Układ generatora nośnej Numer elementu Wartość/Nazwa Numer elementu Wartość/Nazwa

C7,C12 10nF R7 100Ω C9 1µF R10 100kΩ C11 1nF R11 22kΩ R1 10kΩ R12 47Ω R3 12kΩ U3 KA331 R5 6,8kΩ P5,P6 Gniazdo 3 pinowe R6 Potencjometr 5kΩ P8 Gniazdo 2 pinowe R9 Potencjometr 20kΩ

Układ czasowy 555 jako generator sygnału

W zaprojektowanym nadajniku bezprzewodowej drogi optycznej w zakresie

podczerwieni do generacji sygnału wykorzystany został powszechnie znany układ

czasowy NE555 firmy Philips Semiconductors . NE555 jest układem przeznaczonym do

generowania pojedynczych impulsów bądź ciągów przebiegów prostokątnych. Na

rysunku rys.3.6 przedstawiono schemat blokowy układu czasowego NE555 wraz z

elementami zewnętrznymi niezbędnymi do generacji sygnału. Podstawowymi

elementami układu 555 są 2 komparatory, przerzutnik oraz tranzystor rozładowujący.

Tabela 3.4 Wyprowadzenia układu scalonego NE555

PIN# Symbol Typ Opis

56

1 GND Źródło masy zasilania 2 Trigger I Wejście wyzwalające 3 Output O Wyjście układu 4 Reset I Kluczowanie pracy 5 Control I Zmiana proporcji wartości rezystorów 6 Treshold I Wejście komparatora 7 Discharge I Rozładowanie kondensatora 8 Vcc I Napięcie zasilania

Układ pracować moŜe jako multiwibrator monostabilnym oraz astabilnym. W

przypadku opisywanego nadajnika podczerwieni NE555 pracuje w trybie astabilnym

pokazanym na rysunku rys.3.8. Do otrzymania sygnału potrzebne są dwa rezystory oraz

jeden kondensator. Jeśli nóŜka nr.5 nie jest wykorzystywana to producent sugeruje

połączenie jej z masą za pośrednictwem kondensatora o pojemności rzędu 10..22nF w

celu uniknięcia zmian proporcji wartości wewnętrznego dzielnika napięcia.

Rys.3.8. Schemat blokowy układu w układzie generatora astabilnego [26]

Zasadę działania generatora astabilnego tłumaczy rysunek rys.3.9. Jeśli na

wejściu TRIGGER połączonym wraz z wejściem TRESHOLD napięcie wynosi 0 to

przerzutnik wewnętrzny włącza się i na wyjściu ustawiony zostaje ustawiony stan

wysoki. Kondensator C ładuje się poprzez rezystory RA i RB i po osiągnięciu napięcia

równego 2/3 napięciu zasilania, przerzutnik wyłącza się. Na wyjściu ustawiony jest stan

niski i kondensator zaczyna się rozładowywać przez rezystor RB.

Rys.3.

Pojemność kondensatora C i rezystancja R

na kondensatorze będzie równe 1/3 napi

rozpoczyna się od nowa.

Częstotliwość pracy generatora astabilnego z NE555 wyli

CRRF

BAWY

⋅+=

)2(

49,1

Dodatkowymi parametrami, które mo

CRRT BA ⋅+⋅= )2(693.0

czas trwania sygnału niskiego

Rys.3.10. Schemat układu generuj

W skład generatora sygnału wchodz

z tranzystorem Q2, którego zadanie

sygnałów. W obu przypadka mo

Rys.3.9. Praca generatora astabilnego.

kondensatora C i rezystancja RB określa czas trwania sygnału. Gdy napi

dzie równe 1/3 napięciu zasilania, przerzutnik włącza si

pracy generatora astabilnego z NE555 wylicza się z zale

Dodatkowymi parametrami, które moŜna wyliczyć to okres sygnału:

C ,czas trwania stanu wysokiegoT ⋅= (693.01

ania sygnału niskiego CRT B ⋅⋅= 693.02 i wypełnienie sygnału D

Schemat układu generującego sygnał nadawczy.

W skład generatora sygnału wchodzą dwa układy czasowe NE555, U4 i U5 wraz

z tranzystorem Q2, którego zadaniem jest wymnoŜenie ze sobą dwóch ró

W obu przypadka moŜliwa jest płynna regulacja okresu za pomoc

la czas trwania sygnału. Gdy napięcie

ciu zasilania, przerzutnik włącza się i cykl

za się z zaleŜności:

to okres sygnału:

CRR BA ⋅+ ) ,

%1002

1 ⋅=T

TD .

dwa układy czasowe NE555, U4 i U5 wraz

dwóch róŜnych

za pomocą dwóch

58

potencjometrów P2 i P10. Czas trwania sygnału z układu scalonego U4 jest znacznie

mniejsza aniŜeli układu U10. W ten sposób otrzymujemy sygnał przypominający

informację wychodzącą ze standardowego pilota telewizyjnego.

Dobór elementów zewnętrznych

Przy wyborze elementów zewnętrznych posłuŜono się wzorem, CRR

FBA

WY⋅+

=)2(

49,1

Elementy układu scalonego U4 wyliczono kHzF

FWY 46,11)3302360(

49,1=

⋅Ω⋅+Ω=

µ,

Dla układu HzF

FWY 46,4470)2202270(

49,1=

⋅⋅+=

µ

Tabela 3.5. Wykaz elementów zewnętrznych generatora sygnału

Generator sygnału U4 Generator sygnału U5 Numer

elementu Wartość/Nazwa Numer elementu Wartość/Nazwa

C10 10nF C14 10nF

C8 1µF C13 470µF

R8 330Ω R13 270Ω

R4 360Ω R14 220Ω

P2 2kΩ P10 1kΩ

Q2 Tranzystor BC54FDE P11,P9 Gniazdo 2 pinowe

Przy doborze rezystorów podpiętych do nóŜek nr 2 i 7 naleŜy zwracać uwagę na

prąd przez nie płynący. Zbyt mała rezystancja moŜe spowodować trwałe uszkodzenie

układu. NajwaŜniejsze parametry układu pokazuje tabela 3.7.

Tabela 3.6 Parametry układu czasowego NE555 [27]

Parametr Warunki Min. Typ. Max. Napięcie zasilania 4,5V 18V Prąd zasilania Zasilanie 5V 3mA

Zasilanie 15 V

- 10mA -

Maksymalny prąd wyjścia - - 100mA

59

Temperatura otoczenia - 00C - +700C Napięcie wyjścia w stanie niskim przy prądzie wpływającym 100mA

Zasilanie 15V

- 2 V -

Napięcie wyjścia w stanie wysokim przy prądzie wpływającym 100mA

NóŜka 1 - 13,5 -

Diody nadawcze jako źródło sygnału w zakresie podczerwieni

Nadajnik posiada cztery róŜne źródła światła w zakresie podczerwieni. Są to

diody nadawcze róŜniące się między sobą parametrami, gdzie najwaŜniejszym z nich

jest długość fali nadawania. Typ oraz parametry diod przedstawia tabela 3.7.

Tabela 3.7. Nazwy i parametry diod nadawczych

Nazwa Długość fali

Napięcie przewodzenia

Maksymalny prąd

Kąt promieniowania

Intensywność

TSAL6200

950 nm 1,6 V 100 mA 34o 50mW/Sr

L-53F3C 940 nm 1,5 V 50 mA 30o 20mW/Sr L-53SF4C 880 nm 1,7 V 50 mA 30o 20mW/Sr

LL-503SIRC

850 nm 1,5 V 50 mA 25 o 30mW/Sr

Dzięki róŜnicom takim jak długość fali i kąt promieniowania moŜliwe będzie

przebadanie działania filtrów odbiorników podczerwieni oraz ich kąty odbiorcze. Na

rysunku 3.9. pokazano intensywność z jaką diody L-53F3C, L-53SF4C, LL-503SIRC

nadają dla danych długości fal.

Rys.3.11. ZaleŜność intensywność od długości fali uŜytych diod nadawczych [15][16]

Projekt układów dodatkowych: zasilanie układu oraz układ

Zasilanie układu

Ze względu na to, Ŝe u

stabilnym i potrzebne są trzy róŜ

zasilany z zasilacza sieciowego oraz baterie. Do stabilizacji i zmiany napi

uŜyto stabilizatorów napięcia L

wykorzystano aplikację daną z not

rys.3.10.

Rys.3.1

Schemat zasilania nadajnika podczerwieni i sterownia przetwornikiem napi

częstotliwość przedstawia rysunek rys.3.11. Układ U1 odpowiedzialny jest za zasilanie

układu scalonego KA331 natomiast układ U2 dostarcza maksymalne napi

wysterowania wspomnianego przetwornika. Przy doborze stabilizatorów nale

uwagę na jak najmniejszą konsumpcj

U1 nie dostarcza na wyjściu napię

Rys.3.13. Schemat zasilania i sterownia nadajnikiem podczerwieni

dodatkowych: zasilanie układu oraz układ woltomierza i wyświetlacza

Ŝe układ zasilany musi być napięciem jak najbardziej

trzy róŜne napięcia: 2 zasilania i jedno wejściowe, układ jest

zasilany z zasilacza sieciowego oraz baterie. Do stabilizacji i zmiany napięcia z sieci

cia LM7812 oraz LM7810. Do poprawnej pracy

ą z noty aplikacyjnej producenta, widoczną na rysunku

Rys.3.12. Aplikacja układu LM78XX [28]

Schemat zasilania nadajnika podczerwieni i sterownia przetwornikiem napi

przedstawia rysunek rys.3.11. Układ U1 odpowiedzialny jest za zasilanie

układu scalonego KA331 natomiast układ U2 dostarcza maksymalne napi

wysterowania wspomnianego przetwornika. Przy doborze stabilizatorów naleŜy z

konsumpcję napięcia. Przy 12 V zasilaczu sieciowym układ

ciu napięcia oczekiwanego lecz jest ono mniejsze o około 1V.

. Schemat zasilania i sterownia nadajnikiem podczerwieni

świetlacza

ciem jak najbardziej

kład jest

ęcia z sieci

scalaka

na rysunku

Schemat zasilania nadajnika podczerwieni i sterownia przetwornikiem napięcie-

przedstawia rysunek rys.3.11. Układ U1 odpowiedzialny jest za zasilanie

układu scalonego KA331 natomiast układ U2 dostarcza maksymalne napięcie

Ŝy zwrócić

cia. Przy 12 V zasilaczu sieciowym układ

cia oczekiwanego lecz jest ono mniejsze o około 1V.

61

Tabela 3.8. Wykaz elementów zewnętrznych stabilizatora napięcia

Stabilizator napięcia U1,U2

Numer elementu Wartość/Nazwa Numer elementu Wartość/Nazwa

U1,U2 NE555 C6 4,7nF

C1,C3 1µF C5 5,6nF

C2,C4 10nF P1 Gniazdo 2 pinowe

J1 Łącze ekspresowe

Układ woltomierza i wyświetlacza

W związku z pracą układu przetwornika napięcie-częstotliwość i z jego

zadowalającą liniowością wykonano układ woltomierza wraz z wyświetlaczem

mającym na celu uzyskania szybkiej informacji o częstotliwości sygnału modulującego.

Nadajnik podczerwieni zaprojektowano na 2 zakresy częstotliwości modulującej.

Pierwszy pozwalający na uzyskanie maksymalnej częstotliwości równej 10 kHz, gdzie

zaleŜność częstotliwości od napięcia wynosi 1V/1kHz i drugi o najwyŜszej

częstotliwości 100kHz, gdzie 1 V odpowiada 10kHz.

Do budowy woltomierza uŜyto popularny układ scalony ICL7106 firmy

INTERSIL, który zapewnia konwersję analogowo-cyfrową i współpracuje z

wyświetlaczem ciekłokrystaliczny LCD 213 cyfry + znak. Schemat wyprowadzeń

wyświetlacza pokazano na rys.3.13. Układ woltomierza został zrealizowany według

przykładowej aplikacji zawartej w nocie katalogowej pokazanej na rysunku rys.3.12.

62

Rys.3.14. Aplikacja układu scalonego ICL7106

Aplikacja z rys.3.12. przedstawia układ przeznaczony do pomiaru napięć stałych

w dwóch zakresach pomiarowych ±200mV, gdzie rozdzielczość jest równa 0,1mV.

Maksymalne mierzone napięcie jest równe 12V, więc naleŜało zmodyfikować układ do

pomiaru napięć z zakresu ±20V (rozdzielczość: 10mV). W celu zmiany zakresu

pomiarowego zastosowano dzielnik napięcia dołączony do wejścia pomiarowego

układu ICL7106. Elementy wchodzące w jego skład to R3 oraz R4.

Rys.3.15. Schemat wyświetlacza LCD 213 cyfry + znak

Na podstawie aplikacji z rysunku rys.3.14 i schematu wyprowadzeń

wyświetlacza z rys.3.15 powstał schemat układu woltomierza wraz z wyświetlaczem

dostosowany do wymagań nadajnika podczerwieni. Schemat przedstawiono na rys.3.16.

Producent informuje, iŜ zasilanie układu nie moŜe być brane z tego samego

źródła zasilania co reszta układów, dlatego teŜ wymagało to zasilania bateryjnego. Przy

wyborze omawianego zakresu naleŜy zwrócić uwagę na wybór właściwej kropki. WiąŜe

się to z wlutowaniem zwory w odpowiednim miejscu złącza o nazwie Kropka1.

Elementy zewnętrzne nieznacznie odbiegają od tych sugerowanych w notach

aplikacyjnych. Elementy C5 i R6 wyznaczaj

układu ICL7106. Kondensator C2 wpływa na zmniejszenie bł

charakterystyki. Elementy C4, C5 i R5 maj

woltomierza. Kondensator C4 i rezystor R5 to elementy wchodz

całkowania. Kondensator C4 musi mie

C4 inaczej kondensator „autozera” dobierany jest w zale

pomiarowego.

Napięcie referencyjne zostało ustalone w procesie kalibracji poprzez doł

do nóŜek nr. 35 i 36 układu ICL7106, woltomierza cyfrowego DT9208A i przy pomocy

potencjometru R8 ustawiono je na poziomie 100mV.

Rys.3.16. Schemat ideowy układu woltomierza w

C5 i R6 wyznaczają częstotliwość wewnętrzną

układu ICL7106. Kondensator C2 wpływa na zmniejszenie błędu asymetrii

charakterystyki. Elementy C4, C5 i R5 mają zasadnicze znaczenie dla pr

woltomierza. Kondensator C4 i rezystor R5 to elementy wchodzące w skład układy

całkowania. Kondensator C4 musi mieć jak najmniejsze straty dielektryczne. Element

C4 inaczej kondensator „autozera” dobierany jest w zaleŜności od zakresu

cie referencyjne zostało ustalone w procesie kalibracji poprzez doł

ek nr. 35 i 36 układu ICL7106, woltomierza cyfrowego DT9208A i przy pomocy

potencjometru R8 ustawiono je na poziomie 100mV.

Schemat ideowy układu woltomierza wraz z wyświetlaczem

ętrzną oscylatora

układu ICL7106. Kondensator C2 wpływa na zmniejszenie błędu asymetrii

zasadnicze znaczenie dla pracy

ce w skład układy

jak najmniejsze straty dielektryczne. Element

ści od zakresu

cie referencyjne zostało ustalone w procesie kalibracji poprzez dołączenie

ek nr. 35 i 36 układu ICL7106, woltomierza cyfrowego DT9208A i przy pomocy

wietlaczem

64

Tabela 3.9. Wykaz elementów zewnętrznych woltomierza wraz z wyświetlaczem LCD

Układ woltomierza wraz z wyświetlaczem LCD Numer elementu Wartość/Nazwa Numer elementu Wartość/Nazwa

R1 100kΩ R8 680Ω R2 27kΩ R9,R10,R11 100Ω R3 10MΩ C1, C2 100nF R4 1MΩ C3, C4 220nF R5 47kΩ C5 100pF R6 100kΩ ICL1 ICL7106 R7 Potencjometr 5kΩ LCD1 Wyświetlacz LCD

Układ nadajnika podczerwieni

Całość zaprojektowanego stanowiska laboratoryjnego przedstawia schemat

ideowy nadajnika podczerwieni z rysunku rys.3.18. oraz schemat panelu z rysunku

rys.3.19. W skład wchodzą układy scalone wraz z elementami zewnętrznymi wcześniej

opisanymi w dziale 3.1 oraz dodatkowe elementy pozwalające na ich współpracę.

Rozwiązanie posiada teŜ liczne gniazda ekspresowe, które wykorzystać moŜna do

sprawdzenia sygnału w danym miejscu układu.

Rys. 3.18. Schemat nadajnika podczerwieni-płytka

Tabela 3.9. Wykaz elementów u

Numer elementu

R2

P2,P3,P4,P7,P8,P10,P11

P5,P6

Schemat rozwiązania panelu z elementami reguluj

nadawany przedstawiono n

pozwalające na sprawdzenie sygnału w wybranym miejscu stanowiska.

POT3 i POT2 odpowiedzialne s

układy czasowe NE555. Za zmian

odpowiedzialny jest potencjometr wieloobrotowy POT4, który ustala warto

wejściowego do układu KA331 na poziomie od 0 do 10 V. Potencjometr POT1 wraz z

przełącznikiem obrotowym S1 odpowiedzialne s

przez ustawioną diodę nadawcz

zakresu częstotliwości oraz uruchomienie woltomierza okre

wejściowe układu KA331. Diody LED1

nadmiernym prądem, który ustala rezystor R2. Sygnalizuj

chwili została wybrana do nadawania sygnału.

Rys.3.19.

Tabela 3.9. Wykaz elementów uŜytych w projekcie nadajnika podczerwieni

Nadajnik podczerwieni-płytka

Numer elementu Wartość/Nazwa Numer

elementu Wartość

56Ω Q1,Q2 Tranzystor BC54FDE

P2,P3,P4,P7,P8,P10,P11 Gniazdo 2

pinowe J2

Złącze kluczujdiode nadawcz

Gniazdo 3 pinowe

ązania panelu z elementami regulującymi i kontrolują

nadawany przedstawiono na rysunku rys.3.19. W jego skład wchodzą 3 zł

ce na sprawdzenie sygnału w wybranym miejscu stanowiska. Potencjometry

3 i POT2 odpowiedzialne są za zmianę okresu sygnałów formowanych przez

układy czasowe NE555. Za zmianę częstotliwości modulującej tą

potencjometr wieloobrotowy POT4, który ustala warto

ciowego do układu KA331 na poziomie od 0 do 10 V. Potencjometr POT1 wraz z

cznikiem obrotowym S1 odpowiedzialne są za wybór i wartość prą

ę nadawczą. Przełączniki S3 i S4 odpowiedzialne s

ci oraz uruchomienie woltomierza określającego napi

ciowe układu KA331. Diody LED1-LED4 zostały zabezpieczone przed

óry ustala rezystor R2. Sygnalizują one fotodiodę, która w danej

chwili została wybrana do nadawania sygnału.

Rys.3.19. Schemat ideowy nadajnika podczerwieni - panel

ytych w projekcie nadajnika podczerwieni

Wartość/Nazwa

Tranzystor BC54FDE ącze kluczujące

diode nadawczą

cymi i kontrolującymi sygnał

ą 3 złącza BNC

Potencjometry

okresu sygnałów formowanych przez

cej tą informację

potencjometr wieloobrotowy POT4, który ustala wartość napięcia

ciowego do układu KA331 na poziomie od 0 do 10 V. Potencjometr POT1 wraz z

ść prądu płynącego

czniki S3 i S4 odpowiedzialne są zmianę

ącego napięcie

LED4 zostały zabezpieczone przed

ę, która w danej

panel

66

3.2. Opis komponentów uŜytych do budowy odbiornika fal z zakresu bliskiej

podczerwieni.

W części tej opisane zostały wszystkie elementy wchodzące w skład budowy

modułu odbiorczego. Pokazano ich budowę wewnętrzną oraz sposób doboru

elementów zewnętrznych niezbędnych do uzyskania wspomnianych wcześniej załoŜeń

projektowych.

Fotomoduły z serii TSOP

W celu sprawdzenia właściwości gotowych fotomodułów do detekcji sygnałów

w podczerwieni, opisanych w dziale 2.7 uŜyto ich w projekcie stacji odbiorczej. W ich

skład wchodzi 5 miniaturowych odbiorników podczerwieni o róŜnych częstotliwościach

nośnej.

Tabela 3.10. Wykaz fotomodułów uŜytych do budowy odbiornika podczerwieni.

Typ f0 Napięcie zasilania

Prąd zasilania

Dystans transmisji

TSOP34830 30 kHz 2,7-6V 5mA 35 m

TSOP34833 33 kHz 2,7-6V 5mA 35 m

TSOP4836 36 kHz -0,3-6V 5mA 35 m

TSOP34838 38 kHz 2,7-6V 5mA 35 m

TSOP4840 40 kHz -0,3-6V 5mA 35 m

Elementy wymienione w tabeli 3.10. zostały umieszczone na panelu urządzenia.

Zasilono je napięciem 5V, które zostało wcześniej ustabilizowane za pomocą

stabilizatora LM7805. Dodatkowo w celu sygnalizacji odebranej informacji na wyjściu

fotomodułów umieszczono diody LED, które po dołączeniu do tranzystora w układzie

wspólny emiter znajdującego się w budowie wewnętrznej układu scalonego i

ograniczeniu prądu przez nie płynącego, rezystor R1 (patrz schemat ideowy

odbiornika-panel) informują o poprawnie odebranym sygnale.

67

Schemat ideowy płytki druku, rys.3.20. przedstawia dwa kolejne rozwiązania

wykorzystane do detekcji sygnału w zakresie podczerwieni.

Rys.3.20.Schemat ideowy odbiornika podczerwieni – płytka

Część b) schematu ideowego odbiornika, przedstawia sposób typowego połączenia

fotodiody wraz z wzmacniaczem operacyjnym. Do poprawnej pracy układu naleŜało

zastosować typowa aplikacje konwertera prądu na napięcie, który przedstawiono na

rysunku rys.3.21.

Rys.3.21. Wzmacniacz operacyjny jako konwerter prąd na napięcie [11]

W celu określenia sygnału na wyjściu układu wykorzystuje się wzór

FinOUT RIV ⋅=

68

Fotodiody uŜyte do detekcji sygnału podczerwieni przedstawiono i opisano w

tabeli 3.11. Paramatery otrzymano z not katalogowych producentów.

Tabela 3.11. Opis fotodiod uŜytych w stanowisku laboratoryjnym

Typ Długość fali Kąt odbioru Prąd diody BPV22NF 940nm 60˚ 85µA

HPDB3J-14D 900nm 50˚ 10µA BPW41 925nm 130 45µA

SFH203FA 900 40 40 µA

Trzecim rodzajem uŜytych fotodetektorów są fototranzystory, które w

połączeniu z układem wzmacniacza nieodwracającego, widocznego na schemacie

ideowym, patrz rys.3.20 c), d), e) tworzą typowo wykorzystywaną aplikację.

Fototranzystory w układzie wtórnika emiterowego, przedstawiono na rys.3.22

Rys.3.22. Fototranzystor w układzie wtórnika emiterowego [11]

Rezystancja podłączona do emitera została dobierana w taki sposób aby układ

był jak najbardizej czuły na zmiany natęŜenia światła i zarazem aby kształt sygnału

wyjściowego jak najbardziej nadawał się do dalszego uŜycia. W konfiguracji tej

pojawienie się światła na elemencie jest równoznaczne ze wzrostem sygnału w miejscu

Vout.

Aby wzmocnić sygnał na wyjściu fototranzystora, dodano go do wzmacniacza

nieodwracającego, patrz rys.3.23. Wzmocnienie tego układu wyznaczają rezystory R2 i

R1. 1

21

R

RRUwy

+= . W przypadku zaprojektowanego odbiornika ustalono je na

wartościach R2=10MΩ i R1=1MΩ

Rys.3.23. Schemat wzmacniacza nieodwracaj

Fototranzystory uŜyte w projekcie

Tabela 3.12. Opis fototranzystorów

Typ BPW85C BPW17 L-53P3C

Większość elementów w przypadku odbiornika podczerwieni

panelu obudowy. Połączenie i

Rys.3.24. S

Rys.3.23. Schemat wzmacniacza nieodwracającego

yte w projekcie omówiono w tabeli 3.12.

fototranzystorów uŜytych w stanowisku laboratoryjnym

Długość fali Kąt odbioru Max. Napięcie 950nm 50˚ 32V

780nm 24 32V 940nm 30 30V

elementów w przypadku odbiornika podczerwieni zamontowwano na

czenie i ideowy schemat przedstawiono na rysunku rys.3

Schemat ideowy odbiornika podczerwieni – panel

zamontowwano na

przedstawiono na rysunku rys.3.24.

panel

W uŜądzeniu uŜyto tak jak w przypadku nadajnika podczerwieni układ

woltomierza z wyświetlaczem LCD, który został

on na celu informować uŜytkownika na

tranzystora Uce

Tabela 3.13. Elementy uŜyte do budowy odbiornika podczerwieni

OdbiornikNumer elementu

R2 P2,P3,P4,P7,P8,P10,P11

P5,P6

3.3. Obwody drukowane i monta

Obwody drukowane zostały wykonane jednostronnie przy pomocy wersji próbnej

programu Altium Designer. Wersja ta posiada wi

ograniczeniem jest ograniczony czas u

uŜytych komponentów. Obwody drukowane zostały wykonane metod

Metoda ta jest tania w uŜyciu i w porównaniu z czasem wykonania ma du

dokładność. Na rysunkach

Rys.3.25. Płyt

yto tak jak w przypadku nadajnika podczerwieni układ

wietlaczem LCD, który został dokładnie opisany w części 3.1.

ytkownika na jakim poziomie jest napięcie kolektor-emiter

yte do budowy odbiornika podczerwieni

dbiornik podczerwieni Wartość/Nazwa Numer elementu

56Ω Q1,Q2 Gniazdo 2 pinowe J2

Gniazdo 3 pinowe

Obwody drukowane i montaŜ elementów

Obwody drukowane zostały wykonane jednostronnie przy pomocy wersji próbnej

programu Altium Designer. Wersja ta posiada większość funkcji, a jedynym

raniczony czas uŜytkowania. Biblioteka zawierała wię

ytych komponentów. Obwody drukowane zostały wykonane metodą termo transferu

yciu i w porównaniu z czasem wykonania ma duŜą

Płytka druku – nadajnik podczerwieni

3.1. Ma

emiter

Obwody drukowane zostały wykonane jednostronnie przy pomocy wersji próbnej

jedynym

ytkowania. Biblioteka zawierała większość

termo transferu.

yciu i w porównaniu z czasem wykonania ma duŜą dość

Rys.3.26

Rys.3.2

Wszystkie płytki drukowane projektowane były dla elementów

przewlekłego, poniewaŜ takie były dost

wyświetlacza uŜyto złącz ekspresowych maj

wymiany elementu bez zbę

6. Płytka druku – woltomierz z wyświetlaczem

.3.27. Płytka druku - odbiornik podczerwieni

Wszystkie płytki drukowane projektowane były dla elementów

Ŝ takie były dostępne. W przypadku układów scalonych i

ącz ekspresowych mających na celu ułatwienie ewentualnej

wymiany elementu bez zbędnego naraŜania ścieŜek na uszkodzenie. W miejscu ł

Wszystkie płytki drukowane projektowane były dla elementów do montaŜu

przypadku układów scalonych i

cych na celu ułatwienie ewentualnej

ek na uszkodzenie. W miejscu łączeń

72

elementów z panelu równieŜ zastosowano złącza ekspresowe, dzięki temu demontaŜ i

wewnętrzne zmiany są szybsze. Płytki odbiornika i nadajnika przykręcone są do dolnej

obudowy, natomiast układ woltomierza z wyświetlaczem został przytwierdzony klejem

montowanym na ciepło co zapewnia stabilność jego montaŜu oraz moŜliwość jego

wyjęcia. Wszystkie przełączniki, złącza BNC oraz potencjometry są elementami do

montaŜu na panel, więc komunikację pomiędzy płytką drukowaną rozwiązano

przewodami.

Rys. 3.28. Wygląd końcowy stacji nadawczej i odbiorczej

73

4. Badania układów

W pracy zostały zaprojektowane dwa urządzenia, mianowicie nadajnik i

odbiornik, które tworzą bezprzewodowe łącze optyczne w zakresie podczerwieni.

Nadajnik zawiera cztery diody nadawcze o róŜnym natęŜeniu promieniowania i róŜnych

długościach fal. Odbiornik posiada 12 fotoelementów w skład, których wchodzi 5

fotomodułów, 4 fotodiody oraz 3 fototranzystory. W rozdziale tym zawarte są pomiary

najwaŜniejszych parametrów zaprojektowanego łącza optycznego oraz wnioski z

otrzymanych wyników. Do przeprowadzenia badań uŜyto cyfrowego oscyloskopu

Tektronix TDS 220 w konfiguracji przedstawionej na rysunku 4.1.

Rys.4.1. Schemat pomiarowy

Kanał pierwszy oscyloskopu został podłączony do trzeciego złącza BNC w celu

zmierzenia prąd płynącego poprzez rezystor R2. Do ustalenia wartości prądu potrzebna

jest wartość rezystancji, która wynosi 56Ω oraz napięcie na oporniku, regulowane za

pomocą potencjometru POT1. Kanał drugi podłączono do złącza BNC w odbiorniku

podczerwieni.

4.1. Charakterystyki fotomodułów z serii TSOP48XX

Pomiary fotomodułów z serii TSOP48XX przeprowadzono w katedrze

optoelektroniki, w ciemni, w celu uniknięcia oświetlenia zewnętrznego, które moŜe w

duŜym stopniu zafałszować wyniki badanych parametrów. WzdłuŜ pomieszczenia

rozłoŜono metrówkę do pomiaru dystansu między nadajnikiem i odbiornikiem. Diody

nadające oraz badany odbiornik znajdowały się na tej samej wysokości i naprzeciw

74

siebie. Miało to znaczny wpływ na przebieg pomiaru, gdyŜ kaŜde inne połoŜenie

wpływało na wyniki pomiaru. Pierwszym badaniem było sprawdzenie zakresu

częstotliwości modulującej nadawanego sygnału, którą odbiornik jest zdolny odebrać.

Fotomoduł ustawiono na odpowiedniej odległości od źródła sygnału, następnie

zmieniano częstotliwość nośną i sprawdzano, w którym momencie odbiornik nie jest

juŜ w stanie odebrać nadawanej informacji. Prąd płynący przez diody wynosił 2,14mA.

Wyniki pomiarów przedstawiono w formie wykresów. W ten sposób przebadano

wszystkie fotomoduły.

Rys.4.2. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=950nm

Rys.4.3. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=940nm

Rys.4.4. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=880nm

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4830

1

2

Sta

n Odległość [m]

f [kHz]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4830

1

2

Sta

n Odległość [m]

f [kHz]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4830

1

2

Sta

n

Odległość [m]

f [kHz]

75

Rys.4.5. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=850nm

Pierwszym przebadanym odbiornikiem był TSOP4830. Częstotliwość nośna dla

której został on wyprodukowany to 30kHz. Z rysunków rys.4.2.-rys.4.5 widać wielką

róŜnicę zakresu częstotliwości w zaleŜności od dystansu pomiędzy nadajnikiem a

odbiornikiem. W tym wypadku czym silniejszy sygnał dociera do odbiornika tym

częstotliwość modulująca ma mniejszy wpływ na prace układu. Z wykresu 4.2. moŜna

zauwaŜyć, iŜ dioda nadawcza 950nm ma najmniejsze natęŜenie promieniowania i to

właśnie dla niej zakres częstotliwości modulującej jest najwęŜszy. Wartości te,

skupione są wokół 30kHz co jest zgodne z załoŜeniami producenta. Wyniki w

przypadku diod 940 i 850nm mają najszersze pasmo odebranego sygnału przy

odległości równej 2 m. Diody te święcą znacznie mocniej niŜ pozostałe przy wcześniej

wspomnianym prądzie. Sygnał, który dociera jest znacznie silniejszy i dlatego teŜ

przedział częstotliwości mieści się w 5kHz - 40kHz

Następnym fotomodułem jest TSOP4833, dla którego częstotliwość modulująca

sygnał powinna wynosić 33kHz.

Rys.4.6. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=950nm

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4830

1

2Sta

n

Odległość [m]

f [kHz]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4833

1

2

Sta

n Odległość [m]

f [kHz]

76

Rys.4.7. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=940nm

Rys.4.8. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=8800nm

Rys.4.9. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=850nm

Wyniki przedstawione na rysunkach rys.4.6. - rys.4.9. przedstawiają taką samą

zaleŜność mocy sygnału a zakresu częstotliwości modulującej. Dla sprawdzenia

częstotliwości modulującej dla jakiej został wyprodukowany badany fotomoduł

najlepiej jest spojrzeć na rysunek 4.5. Widać na nim, Ŝe środkową częstotliwością przy

odległości 2m jest właśnie sugerowana 33kHz. Pozostałe diody nie pozwalają na

sprawdzenie tego parametru. Najszerszy zakres częstotliwości modulującej odbieranej

przez TSOP4333 jest w przypadku diody o długości fali λ=850nm. Widać

podobieństwo w przypadku diod λ=940nm i λ=880nm. Przy odległości równej 2 metry

zakresy są niemalŜe identyczne.

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4833

1

2

Sta

n Odległość [m]

f [kHz]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4833

1

2

Sta

n

Odległość [m]

f [kHz]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4833

1

2

Sta

n

Odległość [m]

f [kHz]

77

Rys.4.10. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=950nm

Rys.4.11. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=940nm

Rys.4.12. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=880nm

Rys.4.13. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=850nm

Podczas badań modułu TSOP4836 parametr ten sprawdzono dla trzech róŜnych

odległości. Dzięki temu w większym stopniu zauwaŜalny jest wpływ mocy sygnału

dochodzącego do odbiornika na zakres częstotliwości. Na kaŜdym wykresie

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4836

0,5

1

3

f [kHz]

Sta

n

Odległość [m]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4836

0,5

1

3

f [kHz]

Sta

n

Odległość [m]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4836

0,5

1

3

f [kHz]

Sta

n

Odległość [m]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4836

0,5

1

3

f [kHz]

Sta

n

Odległość [m]

78

rys.4.10.-rys.4.13. widać, iŜ częstotliwość nośna powinna wynosić 36kHz. To właśnie

dla niej poprawność i dystans działania łącza podczerwieni jest największa.

Rys.4.14. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=950nm

Rys.4.15. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=940nm

Rys.4.16. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=880nm

Rys.4.17. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=850nm

W przypadku tego fotomodułu nie moŜna stwierdzić jednoznacznie na jaką

nośną został on zaprojektowany. Sygnał dochodzący był zbyt silny, aby zaobserwować

zakres częstotliwości. MoŜna powiedzieć, iŜ czułość kaŜdego fotomodułu jest inna.

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4838

1

2

Sta

n Odległość [m]

f [kHz]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4838

1

2

f [kHz]

Sta

n

Odległość

[m]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4838

1

2

Sta

n

Odległość [m]

f [kHz]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4838

1

2

Sta

n

Odległość [m]

f [kHz]

79

Rys.4.18. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=950nm

Rys.4.19. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=940nm

Rys.4.20. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=880nm

Rys.4.21. Zakres częstotliwości nośnej nadawanego sygnału dla λ=850nm

W dwóch przypadkach, dla diod λ=940nm i λ=850nm sygnał nośnej nie miał

wpływu na odebranie informacji. Rysunek rys.4.18. pokazuje, Ŝe częstotliwością

modulującą powinna być f0=40kHz

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4840

1

2Sta

n

Odległość [m]

f [kHz]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4840

1

2

Sta

n

Odległość [m]

f [kHz]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4840

1

2

Sta

n Odległość [m]

f [kHz]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4840

1

2

Sta

n Odległość [m]

f [kHz]

80

Następnym badaniem było sprawdzenie wpływu oświetlenia zewnętrznego na

zakres częstotliwości modulującej sygnału nadającego się do odbioru. Odległość

pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem ustalona na 3 metry. Prąd płynący przez diody

wynosił 5,8 mA, Badanie przeprowadzono w ciemni dla trzech wariantów: braku

oświetlenia, pomieszczenie oświetlano lampą z Ŝarówką wolframową oraz oświetlenie

fluorescencyjne. Wyniki przedstawiono na wykresach znajdujących się na rysunkach

rys.4.22.-rys.4.25. Wpływ oświetlenia zewnętrznego przeprowadzono dla jednego

fotomodułu, TSOP4840

Rys.4.22.Wpływ oświetlenia na zakres częstotliwości odebranego sygnału - λ=950nm

Rys.4.23.Wpływ oświetlenia na zakres częstotliwości odebranego sygnału - λ=940nm

Rys.4.24.Wpływ oświetlenia na zakres częstotliwości odebranego sygnału - λ=880nm

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4840

brak

wolframowe

jarzeniówe

Sta

n

oświetlenie

f [kHz]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4840

brak

wolframowe

jarzeniówe

Sta

n

oświetlenie

f [kHz]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4840

brak

wolframowe

jarzeniówe

Sta

n

oświetlenie

f [kHz]

81

Rys.4.25.Wpływ oświetlenia na zakres częstotliwości odebranego sygnału - λ=850nm

Z wyników badań widać, iŜ światło zewnętrzne w duŜym stopniu wpływa na

odbiór sygnału. Światło nadawane z lampy Ŝarowej spowodowało największą róŜnicę w

porównaniu do wyników bez oświetlenia. JednakŜe światło ze świetlówek, równieŜ

wpłynęło na zakres częstotliwości nośnej nadających się do odbioru. Wnioskiem jest, iŜ

wraz ze wzrostem natęŜenia zewnętrznego światła zawierającego fale podczerwieni,

zakres częstotliwość nośnej nadającej się do odbioru się zmniejsza. Dodatkowo moŜna

powiedzieć, iŜ nie wpływa to na poprawność działania odbiornika, gdyŜ częstotliwość

modulująca nadal wynosi 40kHz. Oświetlenie zewnętrzne zmniejsza zasięg

komunikacji łącza podczerwieni.

Następnym etapem jest zbadanie wpływu przeszkód na jakie mogą się napotkać

się fale wysyłane z nadajnika podczerwieni. Na trasie łącza postawiono przyciemnioną

szybę, zwykły kawałek szkła oraz plastikowy kwadrat. Ich grubość nie przekraczała

4mm. Odległość pomiędzy modułami wynosiła 3 metry a prąd płynący przez diody miał

wartość 1,5 mA. Przeszkody stawiano tuŜ przed nadajnikiem prostopadle do diod

nadawczych. Wyniki przedstawiono na rysunkach rys.4.26-rys.4.29.

Rys.4.26.Wpływ przeszkód na zakres częstotliwości odebranego sygnału - λ=950nm

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4840

brak

wolframowe

jarzenióweSta

n

oświetlenie

f [kHz]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4840

brak

ciemne szkło

szkło

plastik

St

an

przeszkody:

f [kHz]

82

Rys.4.27.Wpływ przeszkód na zakres częstotliwości odebranego sygnału - λ=940nm

Rys.4.28.Wpływ przeszkód na zakres częstotliwości odebranego sygnału - λ=880nm

Rys.4.29.Wpływ przeszkód na zakres częstotliwości odebranego sygnału - λ=850nm

We wszystkich przypadkach największy wpływ na osłabienie sygnału miał

kawałek szkła. Kolejna przezroczysta przeszkoda, która wpłynęła na zwęŜenie zakresu

częstotliwości nośnej nadającej się do odbioru to plastik. Najlepsze wyniki ma

przyciemniane szkło, które prawdopodobnie zatrzymuje najmniejszą ilość fal z zakresu

podczerwieni. Osłony stosowane w urządzeniach wykorzystujących podczerwień

najprawdopodobniej przechodzą badania w celu skonkretyzowania zasięgu, który

zmniejsza się w zaleŜności od uŜytego materiału.

Ostatnim przebadanym parametrem jest maksymalny zasięg łącza. W celu

uzyskania jak największego dystansu pomiędzy stacją nadającą i odbierającą sygnał,

badania przeprowadzono na wąskim korytarzy a urządzenia umieszczono 50 cm od

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4840

brak

ciemne szkło

szkło

plastik

Sta

n

przeszkody:

f [kHz]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4840

brak

ciemne szkło

szkło

plastik

Sta

n

przeszkody:

f [kHz]

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4840

brak

ciemne szkło

szkło

plastik

Sta

n

przeszkody:

f [kHz]

83

ziemi naprzeciw siebie. Nadajnik nastawiono na wartość maksymalną, gdzie prąd

płynący przez rezystor R2 wyniósł około 28 mA. Uzyskana odległość jaką udało się

uzyskać to 30 metrów. NaleŜy wspomnieć, iŜ badania przebiegały w ciągu dnia, gdzie

wpływ miało światło słoneczne. W przypadku diod λ=940nm i λ=850nm zasięg jest

większy, ograniczeniem wyznaczenia maksymalnego zasięgu w ich przypadku była

długość pomieszczenia.

Rys.4.30. Zasięg maksymalny łącza optycznego zakresu podczerwieni

Dla wszystkich diod nadawczych widoczna jest ustalona częstotliwość nośna

wynosząca 36kHz.

4.2. Charakterystyki fotodiod

W tej części przebadano diody wchodzące w skład odbiornika podczerwieni.

Głównym celem jest sprawdzenie maksymalnego zasięgu łącza, gdy jako fotodetektor

wykorzystywana jest fotodioda. Dodatkowo sprawdzono czułość fotoelementy na daną

długość fal z zakresu podczerwieni.

Rys.4.31. ZaleŜność sygnału na wyjściu fotodiody od jej odległości od nadajnika

0

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

TSOP4836

950

940

880

850

Sta

n

diody:

f [kHz]

0

0,5

1

1,5

2

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

BPV22NF

950

940

880

850

diody:

Odległość [m]

Na

pię

cie

[V

]

84

Rys.4.32. ZaleŜność sygnału na wyjściu fotodiody od jej odległości od nadajnika

Rys.4.33. ZaleŜność sygnału na wyjściu fotodiody od jej odległości od nadajnika

Rys.4.34. ZaleŜność sygnału na wyjściu fotodiody od jej odległości od nadajnika

Diody BPV22NF, SFH203FA i BPW41 charakteryzują się największym

zasięgiem, sięgającym nawet do 3,5 metra. RóŜnicą pomiędzy nimi jest czułość na

róŜne długości fal. W przypadku diody BPW41 najwyŜszy poziom odebranego sygnału

udało się uzyskać przy wysłaniu informacji poprzez diodę λ=950nm. Z danych

0

0,5

1

1,5

2

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

BPW41

950

940

880

850

diody:

Odległość [m]

Na

pię

cie

[V

]

0

0,5

1

1,5

2

0 0,5 1 1,5 2 2,5

HPDB3J-14D

950

940

880

850

diody:

Odległość [m]

Na

pię

cie

[V

]

0

0,5

1

1,5

2

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

SFH203FA

950

940

880

850

diody:

Odległość [m]

Na

pię

cie

[V

]

85

producenta wiemy, iŜ największa czułość fotodiody uzyskuje się dla długości fal

λ=940nm. Na rysunku rys.4.31. widać jednak róŜnicę. Powodem tego moŜe być

niepoprawne ustawienie nadajnika i odbiornika, które powinny znajdować się na tej

samej wysokości. W przypadku róŜnego natęŜenia promieniowania diod nie jest

moŜliwe ustalenie prawidłowo maksymalnej czułości fotodiody. MoŜna ustalić jedynie

najlepsze warunki nadawania dla badanego fotoelementu. NajwyŜszy poziom sygnału

przy detekcji fotodiodą BPV22NF uzyskano dla długości fal λ=880nm. NiemalŜe

liniowy kształt uzyskanych charakterystyk moŜna tłumaczyć zaleŜnością pomiędzy

wartością prądu fotodiody od natęŜenia światła na nią padającego.

Tak jak w przypadku fotomodułów, takŜe zbadano wpływ przeszkód na poziom

sygnału odebranego przez fotodiodę. Cały przebieg pomiaru wyglądał tak jak w dziale

4.1. Odległość pomiędzy modułami wynosiła 0,5m a urządzenia umieszczono na

wprost siebie. Uzyskane wyniki przedstawia wykres na rys.4.35.

Rys.4.35. Wpływ przeszkód na poziom sygnału odbieranego przez fotodiodę

Największa róŜnica poziomu sygnału występuje dla przeszkody z

przyciemnianego szkła. Poziom sygnału przy nadawaniu diodą o długością fali

λ=880nm zmalał o ponad 0,6V. Najlepszy efekt jest widoczny dla plastikowej

przeszkody, dlatego teŜ większość pilotów sprzętu RTV posiada plastikową osłonę.

Następnie przebadano wpływ nieprzezroczystych przeszkód na odbiór sygnału.

W tym przypadku uŜyto kartek papieru o róŜnym kolorze. Wyniki przedstawia rysunek

rys.4.36.

0

0,5

1

1,5

2

840 860 880 900 920 940 960

BPV22NF

brak

szkło

ciemne

szkłoplastik

przeszkoda:

Długość fali [nm]

Na

pię

cie

[V

]

86

Rys.4.36. Wpływ barwy przeszkód na poziom sygnału odbieranego przez fotodiodę

Wpływ tego typu przeszkód nawet o niewielkiej grubości ma bardzo duŜy

wpływ na tłumienie poziomu odebranego sygnału. W tym wypadku kolor nie miał

większego znaczenia. Największą ilość światła roboczego przepuścił papier koloru

Ŝółtego a najgorsze wyniki ma kolor biały. Z wykresu widać fale , które w większym

stopniu są zatrzymywane przez kartki. RóŜnica pomiędzy poziomami moŜe

występować teŜ z róŜnic gramatury, gdyŜ nie wiadomo jakie wartości posiadają

przeszkody.

4.3. Charakterystyki fototranzystorów

W tej części przeprowadzono badania trzech fototranzystorów. Na samym

początku zmierzono maksymalny zasięg oraz zaleŜność napięcia sygnału odebranego od

odległości pomiędzy modułami. Nadajnik nastawiono na maksymalny poziom

nadawania. Pomiary przeprowadzano w ciemni w celu uniknięcia oświetlenia.

Rys.4.37. ZaleŜność sygnału na wyjściu fototranzystora od odległości od nadajnika

0

0,5

1

1,5

2

2,5

840 860 880 900 920 940 960

BPV22NF

brak

biały

czerwony

zółty

papier:

Długość fali [nm]

Na

pię

cie

[V

]

0

2

4

6

8

10

12

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

BPW17

950

940

880

850

diody:

Odległość [m]

Na

pię

cie

[V

]

87

Rys.4.37. ZaleŜność sygnału na wyjściu fototranzystora od odległości od nadajnika

Rys.4.38. ZaleŜność sygnału na wyjściu fototranzystora od odległości od nadajnika

Pierwszym faktem, który róŜni fototranzystory od fotodiod jest ich zasięg

odbioru. W tym przypadku jest on krótszy o ponad połowę drogi. Początkowe wartości

sygnału dla małych odległości ustalają się na poziomie 11,4V. Spowodowane jest to

napięciem zasilania wzmacniacza operacyjnego pracującego jako wzmacniacz

nieodwracający. Jego napięcie zasilania wynosi 12V i dlatego teŜ nie moŜna uzyskać

wyŜszego sygnału. Wzmocnienie układu zostało ustalone tak aby uzyskać jak

największy zasięg a zarazem kształt sygnału odebranego powinien przypominać jak w

największym stopniu nadany. Jeśli chodzi o czułość fototranzystorów, pierwszy BPW17

wykonany na długość fali λ=780nm uzyskał największy sygnał i dystans dla diody

nadawczej λ=850nm, która jest najbliŜsza jego czułości. Pozostałe dwa o maksymalnej

czułości dla fal λ=940 i 950nm wyróŜniają się większym zasięgiem, co spowodowane

jest prawdopodobnie większym wzmocnieniem tych fototranzystorów. Nadawanie

0

2

4

6

8

10

12

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

L-53P3C

950

940

880

850

diody:

Odległość [m]

Na

pię

cie

[V

]

0

2

4

6

8

10

12

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

BPW85C

950

940

880

850

diody:

Odległość [m]

Na

pię

cie

[V

]

88

sygnału dla ich długości fal wpływało na wartości. W przypadku BPW85C maksymalny

poziom sygnału na wyjściu utrzymywał się do 0,5m odległości.

Kolejne pomiary przeprowadzono przy róŜnym oświetleniu pomieszczenia.

Wyniki przedstawiono na wykresach rys.4.39.-rys.4.42.

Rys.4.39. Wpływ oświetlenia zewnętrznego na poziom sygnału odebranego - λ=950nm

Rys.4.40. Wpływ oświetlenia zewnętrznego na poziom sygnału odebranego - λ=940nm

Rys.4.41. Wpływ oświetlenia zewnętrznego na poziom sygnału odebranego - λ=880nm

0

2

4

6

8

10

12

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

BPW85C

brak

jarzeniowe

wolframowe

oświetlenie

:

Odległość [m]

Na

pię

cie

[V

]

0

2

4

6

8

10

12

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

BPW85C

brak

jarzeniowe

wolframowe

oświetlenie

:

Odległość [m]

Na

pię

cie

[V

]

0

2

4

6

8

10

12

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

BPW85C

brak

jarzeniowe

wolframowe

oświetlenie

:

Odległość [m]

Na

pię

cie

[V

]

89

Rys.4.42. Wpływ oświetlenia zewnętrznego na poziom sygnału odebranego - λ=850nm

W przypadku fototranzystorów dodatkowe światło znacznie wpływa na kształt i

poziom sygnału odebranego. śarówka wolframowa wprowadzała znaczne zakłócenia

sygnału. Towarzyszyły mu szumy oraz duŜa składowa stała na poziomie około 8V.

Świetlówki wprowadzały znacznie mniejsze zakłócenia i składową stałą o wartości 2V.

Porównując wyniki bez dodatkowego oświetlenia widzimy logarytmiczny charakter

charakterystyki sygnału od odległości. Związane jest to z charakterystyką wyjściową

fototranzystora.

4.4. Kąt nadawania i odbioru sygnału

W tej części sprawdziliśmy kąty pod jakimi moŜna nadawać bądź odbierać

sygnał za pomocą zaprojektowanego łącza optycznego. Badania przeprowadzono w

ciemni. Badany moduł ustawiono na obrotową tarczę z wyznacznikiem kąta obrotu.

Stacja nadawcza i odbiorcza znajdowała się na tej samej wysokości. Podczas pomiarów

obracano tarczę i sprawdzano kąt, dla którego komunikacja pomiędzy urządzeniami

została przerwana. Diody nadawcze charakteryzują się róŜnymi kątami promieniowania

dlatego teŜ wyniki nie są do identyczne. W celu zobrazowania zakres kątów nadawania

i odbioru sygnału, urządzenia stopniowo od siebie oddalano. Powstałe charakterystyki

przedstawiono na rysunkach rys.4.43 i rys.4.44.

0

2

4

6

8

10

12

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

BPW85C

brak

jarzeniowe

wolframowe

oświetlenie

:

Odległość [m]

Na

pię

cie

[V

]

90

Rys.4.43. Kąt promieniowania diod nadawczych

Niesymetryczny kształt wykresów jest spowodowany meblami znajdującymi się

w pomieszczeniu. Odległość od ścian z lewej i prawej strony była róŜna, więc ilość

odbitego światła wpłynęła na wyniki. Największy kąt promieniowania przypada dla

diod λ=950 i 850nm a podobieństwo charakterystyk przypada pomiędzy diodami λ=940

i 880nm.

Rys.4.44. Kąt odbioru fotomodułu TSOP3836

W przypadku kąta odbioru sygnału przebadano fotomoduł TSOP4836.

Porównując dwa powyŜsze rysunki w tym podrozdziale moŜna stwierdzić, iŜ kąt

odbioru sygnału jest znacznie większy aniŜeli kąt nadawania łącza. Kształt wykresu jest

bardzo niesymetryczny i główny wpływ na to ma pomieszczenie w jakim wykonywany

był pomiar. Najlepszym rozwiązaniem byłoby przeprowadzenie badania w wolnej

przestrzeni, gdzie sygnał nie odbijałby się od ścian i mebli.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35

950nm

940nm

880nm

850nm

kąt [˚]

Od

leg

łość

[m

]diody:

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

950nm

940nm

880nm

850nm

kąt [˚]

Od

leg

łość

[m

]

diody:

91

5. Wnioski końcowe

Na samym początku, komunikacja pomiędzy urządzeniami odbywała się

poprzez połączenia kablowe. Jednak trudności i ograniczenia jakie są z nimi związane,

w przeciągu kilku ostatnich dekad spowodowały niespotykane zapotrzebowanie na

technologie bezprzewodowe. Zarówno w przemyśle jak i u prywatnych klientów moŜna

zaobserwować wzrost zainteresowania urządzeniami, w których wykorzystuje się

transmisję informacji drogą bezprzewodową. Zmniejszenie kosztów sprzętu technologii

bezprzewodowych i czasu jego instalacji, dokonało przełom w procesie wymiany

informacji.

W pracy przedstawiono i omówiono rozwiązania układów i podzespołów

słuŜących do transmisji sygnałów drogą optyczną bezprzewodową. Na samym początku

wspomniano o propagacji fal elektromagnetycznych, opisano charakter i właściwości

fal optycznych, poczym wskazano na jakie problemy są one naraŜone podczas procesu

komunikacji. W celu lepszego poznania systemu nadawania w bliskiej podczerwieni

omówiono strukturę optycznego toru transmisyjnego. Następnie zaprezentowano

sposoby doboru parametrów toru optycznego i zwrócono uwagę na najwaŜniejsze

cechy, jakie powinien taki tor spełniać. Wspomniano teŜ o sposobach modulacji

informacji oraz o rodzajach i właściwościach łączy optycznych. W dalszej części

przedstawiono konkretne rozwiązania tychŜe modułów. Opisano zasadę ich działania

oraz wymieniono najwaŜniejsze wady i zalety elementów wchodzących w skład

budowy urządzeń. Omówiono teŜ układy najpopularniejszych producentów, słuŜące do

komunikacji w standardzie IrDA, wyszczególniono przykładowe moduły pracujące w

standardach SIR, MIR, FIR, VFIR, jak równieŜ układy ułatwiające zaimplementowanie

tego standardu. Pod sam koniec rozdziału opisano architekturę standardu IrDA i

porównano go z innymi technologiami łączności bezprzewodowej.

W dalszej części pracy przedstawiono opracowanie własnej koncepcji

stanowiska laboratoryjnego, słuŜącego do przebadania wybranych właściwości

podzespołów. Omówiono tu zasadę działania oraz dobór elementów zewnętrznych

niezbędnych do poprawnej pracy stanowiska laboratoryjnego. Zamieszczono teŜ

najwaŜniejsze parametry wykorzystanych nadajników i fotodetektorów. Wspomniano

takŜe o projekcie układów dodatkowych, mianowicie o projekcie woltomierza z

wyświetlaczem LCD oraz o części zasilającej układy scalone. W rozdziale zawarto

92

schematy ideowe oraz druki płytek wykonanych i uŜytych w stanowisku

laboratoryjnym. Szczegółowo opisano wykonanie tychŜe obwodów i zaprezentowano

końcowy wygląd urządzeń.

Podstawowym celem pracy było zaprojektowanie i wykonanie stanowiska

laboratoryjnego do badania systemu bezprzewodowej transmisji sygnałów drogą

optyczną. W tym wypadku wymiana informacji odbyła się w zakresie fal bliskiej

podczerwieni, gdyŜ takie rozwiązanie jest wykorzystywane na co dzień w kaŜdym

domu. Celem pracy było równieŜ ukazanie jak najszerszych moŜliwości i ich

sprawdzenia dla tego pasma oraz przedstawienie wybranych rozwiązań technicznych

wykorzystywanych do bezprzewodowej transmisji danych.

Zaprojektowane stanowisko laboratoryjne po zmontowaniu i uruchomieniu

przetestowano i przebadano. Sprawdzono poprawność komunikacji, jej zasięg oraz kąty

nadawania i odbierania informacji. Przebadano teŜ wpływ róŜnego rodzaju przeszkód

na wcześniej wymienione właściwości łącza optycznego. W dziale tym zawarto

pomiary i wyniki w celu zasugerowania przykładowych badań laboratoryjnych jakie

moŜna wykonać za pomocą zaprojektowanego urządzenia.

Wykonane stanowisko laboratoryjne pozwala na pogłębienie wiedzy dotyczącej

bezprzewodowego przesyłania informacji drogą optyczną z zakresu fal bliskiej

podczerwieni. Pozwala równieŜ zapoznać się szczegółowo z budową, moŜliwościami i

wadami układów, które słuŜą do przesyłania i odbioru tychŜe sygnałów. Wykonanie

stanowiska laboratoryjnego umoŜliwiło zapoznanie się z problemami, na jakie moŜna się

natknąć podczas projektowania takich systemów. Opracowane i wykonane stanowisko

laboratoryjne moŜe być wykorzystane do zajęć dydaktycznych dla studentów kierunku

Elektronika i Telekomunikacja na przedmiotach związanych z bezprzewodową transmisja

danych. Dzięki róŜnym elementom nadającym i odbierającym, które wykorzystano w

projekcie, urządzenie świetnie nadaje się do porównania i poznania najwaŜniejszych

właściwości rozwiązań z dziedziny komunikacji w podczerwieni.